Luigi Carmignani
Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
CGT Centro di GeoTecnologie, UniversitĂ degli Studi di Siena San Giovanni Valdarno, Italy
Questi appunti sono scaricabili dal sito: www.cgtlearning.unisi.it per tutti gli studenti dei Corsi di Geologia Applicata dell’Università di Siena. Dallo stesso sito si possono scaricare anche tutte le presentazioni delle lezioni in formato PDF. I due volumi di Appunti di Geologia Applicata sono in vendita, al prezzo di costo della stampa, presso il Centro di Geotecnologie dell’Università di Siena (www.geotecnologie.unisi.it). Qualunque osservazione, suggerimento, correzione d’errori o proposte di modifiche a parti poco chiare é sollecitata a studenti e colleghi, e sarà sempre gradita (luigi.carmignani@unisi.it). Per informazioni: geotecnologie@unisi.it
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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.
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Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
Sommario 1. INTRODUZIONE AL CORSO . . 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
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Rocce, terre e suoli . . . . . . . . . . . . . . Alterazione delle rocce . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Profilo d’alterazione . . . . . . . . . . . 2.2.2 Classificazioni in base dello stato d’alterazione . . Prodotti dell’alterazione in sito . . . . . . . . . . 2.3.1 Alterazione di granitoidi (e altre rocce ignee massive) 2.3.2 Alterazione di calcari ed altre rocce solubili . . . 2.3.3 Alterazione di rocce argillose e argilliti . . . . . 2.3.3.1 Slake-durability test . . . . . . . . 2.3.3.2 Rigonfiabilità . . . . . . . . . . 2.3.4 Alterazione d’arenarie . . . . . . . . . . Depositi superficiali . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Depositi colluviali (o colluvium) . . . . . . . 2.4.2 Depositi alluvionali (o alluvium) . . . . . . . 2.4.3 Depositi glaciali . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Depositi marini e lacustri . . . . . . . . . 2.4.5 Depositi eolici . . . . . . . . . . . . . Suoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Profilo pedologico . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Struttura e porosità del suolo. . . . . . . . . 2.5.3 Acidità del suolo (pH) . . . . . . . . . . 2.5.4 Suolo e clima . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Principali tipi di suolo . . . . . . . . . . 2.5.5.1 Pedalfer . . . . . . . . . . . . 2.5.5.2 Pedocal . . . . . . . . . . . . 2.5.5.3 Laterite . . . . . . . . . . . . 2.5.5.4 Suoli organici e torba . . . . . . . .
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Cos’è la Geologia applicata? . . . . . Ricerca pura e applicata . . . . . . Breve storia della Geologia applicata . . La Geologia applicata nel ventesimo secolo Prospettive professionali . . . . . . Ruoli dell’ingegnere e del geologo . . . Obiettivi e contenuti del corso . . . .
2. ALTERAZIONE E COPERTURE SUPERFICIALI . 2.1 2.2
2.3
2.4
2.5
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Sommario
15 15 16 17 18 20 22
27 28 29 31 36 36 37 39 39 41 41 42 42 43 43 45 48 49 49 51 51 52 53 53 53 54 55
5
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Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
3. INDAGINI . 3.1 3.2
3.3
3.4
3.5
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Sommario
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Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Carte topografiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.1 Classificazione delle carte . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.1.1 Cartografia dell'Istituto Geografico Militare (I.G.M.) . . . 60 3.2.1.2 Carte topografiche a grande scala . . . . . . . . . . 63 3.2.2 Carte geologiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.2.1 Carta geologica ufficiale d'Italia . . . . . . . . . . 63 3.2.2.2 Altre carte geologiche . . . . . . . . . . . . . 64 3.2.2.3 Limiti delle carte geologiche usualmente disponibili . . . . 64 3.2.3 Carte geomorfologiche . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.4 Carte geologico-tecniche (Engineering Geological Map) . . . . . 67 Foto aeree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Camere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.3 Foto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.3.1 Fiducial marks . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.3.2 Punto principale . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.3.3 Data strip . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.4 ModalitĂ di ripresa di foto aeree . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.4.1 Errori di volo . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.4.2 Tipi di pellicola . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.5 Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.6 Come acquistare foto aeree . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.7 Campi di applicazione delle foto aeree . . . . . . . . . . . 80 3.3.7.1 Geomorfologia applicata . . . . . . . . . . . . 81 3.3.7.2 Idrogeologia . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.7.3 Geologia delle costruzioni . . . . . . . . . . . . 82 3.3.7.4 Geologia agraria . . . . . . . . . . . . . . . 82 Sistemi di telerilevamento non fotografici . . . . . . . . . . . . . 84 3.4.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.4.2 Sistemi di ripresa mediante scanner aereotrasportati . . . . . . . 85 3.4.2.1 Scanner multibanda (Multispectral scanners o MSS). . . . 85 3.4.2.2 Scanner per l'infrarosso termico (Thermal Infrared Scanner) . 87 3.4.2.3 Scanner per microonde (Microwave Scanner) . . . . . . 88 3.4.2.4 Sistemi di ripresa mediante radar aereo trasportati (Side Looking Airborne Radar o SLAR) . . . . . . . . . . . . 88 3.4.3 Sistemi di ripresa mediante scanner multibanda (Multispectral Scanner o MSS) montati su satelliti . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4.3.1 Satelliti Landsat . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.4.3.2 Altri satelliti . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.4.4 Elaborazione dei dati da satellite . . . . . . . . . . . . . 97 3.4.5 Interpretazione di immagini Landsat . . . . . . . . . . . . 98 Perforazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.5.1 Breve storia delle perforazioni . . . . . . . . . . . . . . 99
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Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
3.5.2 3.5.3
3.5.4
3.5.5
Premessa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perforazioni a percussione . . . . . . . . . . . . . 3.5.3.1 Martelli pneumatici . . . . . . . . . . . . 3.5.3.2 Metodo ODEX . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3.3 Perforatrici con martello a fondo foro. . . . . . . 3.5.3.4 Perforatori a funi o a caduta . . . . . . . . . . 3.5.3.5 Vantaggi e svantaggi della perforazione a percussione . Perforazione a rotazione . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4.1 Perforatrici oleodinamiche e rotazione . . . . . . 3.5.4.2 Perforazione per acquisizione di dati geotecnici (sondaggi geognostici) . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4.3 Trivelle elicoidali . . . . . . . . . . . . . 3.5.4.4 Trivella a secchio . . . . . . . . . . . . . Perforazione con benna mordente . . . . . . . . . . .
4. ELEMENTI DI ANALISI DELLO SFORZO . 4.1
4.2
4.3
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. 100 . 102 . 102 . 106 . 106 . 107 . 108 . 109 . 110
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Forza, tensione e sforzo. . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Premessa. . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Forze . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1 Unità di misura. . . . . . . . . . 4.1.2.2 Componenti . . . . . . . . . . . 4.1.2.3 Condizione di equilibrio . . . . . . . 4.1.3 Tensione su un piano . . . . . . . . . . . 4.1.3.1 Unità di misura. . . . . . . . . . 4.1.3.2 Componenti . . . . . . . . . . . 4.1.4 Sforzo su un piano. . . . . . . . . . . . Analisi bidimensionale dello sforzo . . . . . . . . . 4.2.1 Sforzo uniassiale su un piano . . . . . . . . 4.2.2 Sforzo biassiale su un piano . . . . . . . . . 4.2.3 Ellisse degli sforzi . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Stato di sforzo bidimensionale in un punto . . . . 4.2.5 Cerchio di Mohr per sforzi bidimensionali . . . . Analisi tridimensionale dello sforzo . . . . . . . . . 4.3.1 Sforzo tridimensionale in un punto . . . . . . 4.3.2 Il diagramma di Mohr per lo sforzo in tre dimensioni . 4.3.3 Denominazione degli stati di sforzo . . . . . .
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. 117 . 117 . 117 . 117 . 118 . 118 . 119 . 120 . 120 . 120 . 122 . 122 . 124 . 126 . 129 . 129 . 137 . 137 . 139 . 142
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Sommario
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Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
5. ROTTURA DELLE ROCCE E DELLE TERRE . 5.1 5.2
5.3
5.4
5.5
5.6 5.7
5.8 5.9
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Sommario
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Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Deformazione elastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.2.1 Estensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.2.2 Modulo di Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.3 Rapporto di Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2.4 Espansione volumica e compressione idrostatica . . . . . . . . 152 Compressibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.3.1 Compressibilità delle rocce . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.3.2 Compressibilità delle terre . . . . . . . . . . . . . . . 153 Rottura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.1 Tipi di fratture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.4.2 Relazioni sforzo-deformazione in condizioni confinate . . . . . . 156 5.4.3 Inviluppo di rottura . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Criterio di rottura di Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . 162 5.5.1 Angolo di resistenza al taglio . . . . . . . . . . . . . . 163 5.5.2 Coesione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.3 Orientazione delle superfici di rottura . . . . . . . . . . . 167 5.5.4 Limiti del criterio di rottura di Coulomb. . . . . . . . . . . 169 5.5.4.1 Limiti del criterio di Coulomb per basse pressioni di confinamento . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.4.2 Limiti del criterio di Coulomb per alte pressioni di confinamento . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Resistenza di picco e resistenza residua . . . . . . . . . . . . . 172 Teoria della fratturazione di Griffith . . . . . . . . . . . . . . 174 5.7.1 Fratture di Griffith . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5.7.2 Interpretazione delle fratture di tensione. . . . . . . . . . . 176 5.7.3 Interpretazione della fessurazione longitudinale . . . . . . . . 177 5.7.4 Interpretazione delle fratture di taglio . . . . . . . . . . . 177 5.7.5 Criterio di rottura di Griffith . . . . . . . . . . . . . . 178 Criteri di rottura empirici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Fattori che influenzano la resistenza dei materiali . . . . . . . . . . 181 5.9.1 Pressione dei fluidi . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.9.1.1 Principio degli sforzi efficaci . . . . . . . . . . . 182 5.9.1.2 Cerchio di Mohr per sforzi totali e per sforzi efficaci . . . . 184 5.9.1.3 Criterio di rottura di Coulomb - Terzaghi . . . . . . . 184 5.9.1.4 Effetti della pressione neutra . . . . . . . . . . . 185 5.9.1.5 Interpretazione degli effetti della pressione neutra sulla fratturazione in base alla teoria di Griffith . . . . . . . . . . . 187 5.9.2 Anisotropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.9.3 Sforzo principale intermedio . . . . . . . . . . . . . . 189 5.9.4 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.9.5 Scala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.9.6 Velocità della deformazione . . . . . . . . . . . . . . 193
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Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
APPENDICE DI “ALTERAZIONE E COPERTURE SUPERFICIALI” . .
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A
Alterazione delle rocce. . . . . . . . . . . A.1 Alterazione fisica . . . . . . . . . . A.1.1 Gelo . . . . . . . . . . . . A.1.1.1 Gelività . . . . . . . . A.1.2 Scarico tensionale . . . . . . . . A.1.3 Sali . . . . . . . . . . . . A.1.4 Escursioni termiche . . . . . . . A.2 Alterazione chimica . . . . . . . . . . A.2.1 Principali agenti dell'alterazione chimica. A.2.2 Principali reazioni di alterazione . . . A.2.2.1 Idratazione . . . . . . . A.2.2.2 Ossidazione . . . . . . . A.2.2.3 Carbonatazione. . . . . . A.2.2.4 Idrolisi . . . . . . . . A.3 Alterazione biologica . . . . . . . . . A.4 Fattori che influenzano l'alterazione . . . . . A.4.1 Clima . . . . . . . . . . . . A.4.2 Proprietà delle rocce . . . . . . . A.4.3 Fattori locali . . . . . . . . .
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. 197 . 197 . 197 . 197 . 198 . 199 . 199 . 200 . 200 . 200 . 201 . 201 . 202 . 202 . 203 . 203 . 203 . 205 . 206
B
L’erosione del Suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1 Erosione naturale e accelerata dall'azione dell'uomo. . . . . . . . . B.1.1 Situazione mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . B.1.2 Crescente desertificazione . . . . . . . . . . . . . . B.1.3 Il caso degli Stati Uniti . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Soluzioni per la conservazione del suolo . . . . . . . . . . . . B.2.1 Conservazione del suolo . . . . . . . . . . . . . . . B.2.2 Tipi di coltivazioni che riducono l’erosione del suolo. . . . . . B.2.3 Frangivento e altri sistemi di protezione del suolo, la Classificazione territoriale ed il PAM . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.4 Conservare e restaurare la fertilità del suolo. . . . . . . . . B.2.5 I fertilizzanti inorganici e l'irrigazione salveranno il suolo? . . . .
. 207 . 207 . 208 . 208 . 209 . 210 . 210 . 210 . 211 . 212 . 213
APPENDICE DI “INDAGINI” C
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Caratteristiche geometriche delle foto aeree . . . . . . . C.1 Scala . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2 Parallasse . . . . . . . . . . . . . . . . . C.3 Differenza di parallasse. . . . . . . . . . . . . C.3.1 Misure di altezze attraverso la differenza di parallasse C.3.2 Barra di parallasse . . . . . . . . . . . .
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. 217 . 217 . 219 . 221 . 222 . 224
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Sommario
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UniversitĂ di Siena Centro di GeoTecnologie
10
Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
D
Stereoscopia e stereoscopi . . . . . . . . . D.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . D.2 Visione stereoscopica . . . . . . . . . D.3 Modello tridimensionale senza stereoscopio . . D.4 Visione pseudoscopica . . . . . . . . . D.5 Esagerazione delle altezze. . . . . . . . D.6 Stereoscopi . . . . . . . . . . . . D.7 Trasferimento dei punti principali . . . . . D.8 Posizionamento delle foto sotto allo stereoscopio D.9 Regolazione dello stereoscopio . . . . . .
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227 227 227 230 231 231 232 235 236 236
E
Elaborazione ed applicazione dei dati telerilevati. . . . E.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . E.2 Elaborazione digitale dei dati . . . . . . . . E.2.1 Miglioramento del contrasto . . . . . . E.2.2 Filtraggio spaziale . . . . . . . . . E.2.3 Composizione (Composite) . . . . . . . E.2.4 Operazioni con piĂš bande . . . . . . . E.2.5 Classificazioni digitali dell'immagine . . . E.3 Analisi dei dati elaborati . . . . . . . . . . E.3.1 Interpretazione e applicazione di dati telerilevati E.3.1.1 Rilevamento della morfologia . . . E.3.1.2 Rilevamento della struttura . . . E.3.1.3 Rilevamento della litologia . . . .
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F
Impianti di perforazione petrolifera . . . . . . . . . . . . . F.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.2 Organi di sostegno: torre, mast o derrick . . . . . . . . . . F.3 Motori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.4 Organi di sospensione . . . . . . . . . . . . . . . . F.5 Organi rotanti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.6 Carotaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.7 Tubaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.8 Cementazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.9 Fluido di perforazione . . . . . . . . . . . . . . . . F.10 Perforazione a turbina . . . . . . . . . . . . . . . . F.11 Perforazione in mare . . . . . . . . . . . . . . . . F.12 Problemi ambientali determinati dalle perforazioni petrolifere offshore
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247 247 249 249 249 250 252 253 254 254 255 255 259
G
Campionatori e carotieri . . . . . . . G.1 Campionatori ad elica . . . . . . G.2 Campionatori con carotiere a rotazione. G.2.1 Carotiere semplice . . . . G.2.2 Carotiere doppio . . . . . G.2.3 Carotiere doppio tipo Deninson G.2.4 Carotiere doppio tipo Pitelxen .
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261 261 261 261 262 263 263
Sommario
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Università di Siena Centro di GeoTecnologie
Appunti di Geologia Applicata Primo Volume
I.4.2 Sforzo differenziale Lo sforzo differenziale D V (Figura I-9c) è la differenza tra gli sforzi massimo e minimo: DV = V – V 1 2
I-12
è sempre una quantità scalare positiva doppia del raggio del più grande cerchio di Mohr e quindi doppia rispetto al massimo sforzo di taglio. Per uno sforzo bidimensionale corrisponde al diametro del cerchio di Mohr ed è quindi uno scalare invariante del tensore dello sforzo. In una prova di compressione o di estensione assiale, lo sforzo differenziale è lo sforzo uniassiale che viene applicato in sovrapposizione allo sforzo idrostatico.
I.4.3 Sforzo efficace Le componenti del tensore dello sforzo efficace V' kl sono definite in tre dimensioni da (Figura I-9d): V V'
kl
=
W 11 12 W 21 V 22
W
13
u 0 0 W 23 – 0 u 0 = 00 u W 31 W 32 V 33
V
–u W W 11 12 13 W 21 V 22 – u W 23 W 31 W 32 V 33 – u
I-13
dove V kl sono le componenti dello sforzo applicato e u è la pressione dei fluidi nei pori della roccia (o pressione neutra). Come indicato nel diagramma, lo sforzo efficace è la differenza tra lo sforzo totale e la pressione dei fluidi. Sul diagramma di Mohr la sottrazione della pressione dei fluidi si traduce in uno spostamento del cerchio verso valori minori di sforzo normale di una quantità uguale alla pressione dei pori u.
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I Vettori e tensori