GEOLOGIA APPLICATA E GEOTECNICA

Direttore

Luigi EUniversità degli Studi di Napoli “Federico II”

Comitato scientifico

Nicola SUniversità degli Studi di Chieti

Antonio PUniversità degli Studi di Chieti

Luciano RUniversità degli Studi di Napoli “Federico II”

GEOLOGIA APPLICATA E GEOTECNICA

Questa collana si occupa di analisi dei problemi di geologia applicata e geotecnicaattraverso i risultati di indagini in sito, indagini di laboratorio e modellazionenumerica.

I volumi pubblicati sono stati valutati secondo il sistema di revisione tra pari (peer review).

Luigi Esposito

Guida all’uso delle CPT

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I edizione: novembre

Questo libro è dedicato alla memoria del giovane Dottor Salvatore Parco, già mio allievo,prematuramente e tragicamente scomparso nel compimento del proprio lavoro

per la criminale incoscienza del conducente di un TIR.

Un caro e grato ricordo va a tutti i giovani che ho avuto il piaceree l’onore di formare negli anni della mia docenza.

Indice

Prefazione

Capitolo IIntroduzione alle CPT

.. Premessa, – .. Un po’ di storia, – .. Attrezzature per l’esecuzione delleCPT, – ... Penetrometri, – ... Sistemi di spinta del penetrometro, – ... Ma-nutenzione e calibrazione del penetrometro, – ... Elementi filtranti, – ... Elementicomplementari per l’esecuzione delle CPT, – ... Prove a profondità intermittenti, –... Chiusura dei fori, .

Capitolo IIRilievo della stratigrafia da prove CPT

.. Generalità, – ... Metodi per la ricostruzione stratigrafica, – .. Considerazioniaggiuntive sulla determinazione della stratigrafia da prove CPT: Stratigrafia di un terrenostratificato, .

Capitolo IIIParametri derivati

.. Generalità, – .. Velocità delle onde di taglio, – .. Peso dell’unità di volume, – .. Rapporto di Poisson, – .. Modulo di taglio per piccole deformazioni, – .. Identificazione di terreni inusuali utilizzando le SCPT, – .. Storia dellostato tensionale, – ... Argilla, – ... Sabbie, – ... Terreni misti, –.. Determinazione dei parametri di resistenza, – ... Sabbia, – ... Terrenimisti, – ... Terreni coesivi, – .. Indice di densità, o densità relativa, disabbie pulite, – .. Modulo a deformazione laterale impedita, – .. Tensioneorizzontale geostatica, – .. Coesione intercetta efficace, – .. Coefficiente diconsolidazione, – .. Indice di rigidità, – .. Conducibilità idraulica, .

Capitolo IVApplicazioni dei risultati delle prove CPT

.. Generalità, – .. Fondazioni superficiali e rilevati, – .. Fondazioni super-ficiali, – ... Metodo indiretto o razionale per determinare la portanza di fondazionisuperficiali da prove CPT, – ... Metodo razionale o indiretto per il calcolo dei cedi-menti, – .. Metodo diretto dell’uso dei parametri misurati da CPT per il calcolodella portanza di fondazioni superficiali, – .. Metodi per determinare i cedimenticon l’ausilio di prove CPT, – .. Casi di studio per fondazioni superficiali, –.. Stabilità dei rilevati e cedimenti, – .. Cedimenti al di sotto dei rilevati, – .. Stabilità dei rilevati, – .. Tempo necessario per la consolidazione dei rile-vati, – .. Prove CPT per il progetto dei pali e delle fondazioni profonde, –... Generalità, – ... Metodi razionali o indiretti per ricavare la portanza di pali

Guida all’uso delle CPT

caricati assialmente da prove CPT, – .. Metodi diretti per determinare la portanzadei pali da prove CPT, – ... Altri metodi diretti per ricavare la portanza dei palida prove CPT, – ... Cedimenti delle fondazioni su pali, – ... Soluzione delsemispazio elastico, – ... Soluzione approssimata per il cedimento non lineare di palicaricati assialmente, – ... Esempio per illustrare la metodologia di cui alla precedentesezione, .

Capitolo VValutazione del rischio di liquefazione

.. Generalità, – .. Identificazione dei terreni che possono subire liquefazione, – ... Determinazione del livello di vibrazione del terreno, .

Bibliografia

Elenco delle figure

Prefazione

Il libro Guida all’uso delle CPT ha lo scopo di condurre il lettore in un percorsoche parte dalle origini di questo tipo di prova in sito, indicandone via via glisviluppi tecnici, fino ai moderni penetrometri elettronici multifunzione. Dopo unadescrizione del funzionamento dei moderni penetrometri e dei sistemi di spintaper la loro infissione nel terreno, si passa a quelli che sono i controlli periodici e letarature necessarie per il corretto funzionamento delle apparecchiature contenutenella sonda. Particolare attenzione è dedicata alle tecniche da utilizzare per lasaturazione dei filtri, dei condotti e del ricettacolo in cui è posto il trasduttore.

I primi capitoli sono dedicati sia alla determinazione delle stratigrafie dei sitiesplorati sia alla determinazione dei parametri fisici e meccanici dei mezzi geologi-ci attraversati. Le correlazioni per ricavare le stratigrafie sono riportate in manieraparticolarmente ampia, specie per quanto attiene i criteri di normalizzazione deiparametri misurati durante l’avanzamento del penetrometro. Le correlazioni ripor-tate sono state ricavate da pubblicazioni recentissime (–) di vari ricercatorie sono basate su considerazioni di carattere teorico, come interpretazione di provecondotte in camera di calibrazione e da osservazioni di comportamenti in sito.Queste correlazioni possono essere utilizzate per determinare i valori: dei parame-tri di resistenza a taglio (su, c’ eφ′ ); il modulo di taglio per piccole deformazioni G

o Gmax; la velocità delle onde di taglio Vs; la storia dello stato tensionale; il modulo adeformazione laterale impedita; il coefficiente di conducibilità idraulica k. I capitolisuccessivi riportano quelli che sono i criteri di utilizzo dei risultati delle CPT perla progettazione diretta sia delle fondazioni superficiali sia di quelle profonde, siaper quanto attiene la loro portanza sia per quanto riguarda la determinazione deipossibili cedimenti, sia assoluti che differenziali. I criteri suddetti sono precedutidai necessari richiami delle teorie disponibili per determinare sia la portanza siai cedimenti delle fondazioni superficiali e profonde, denominati criteri razionali,senza peraltro entrare in dettagli che esulano dal contesto del libro.

Nell’ultimo capito è riportata un’ampia trattazione dell’uso delle prove condottecon il cono sismico, SCPTu, per la valutazione del potenziale di liquefazione deiterreni: sia da flusso e sia da sisma. In questo capitolo si dimostra l’utilità delleCPT, in particolare delle SCPTu, per la valutazione di questi fenomeni che, oltre aprodurre gravi danni, hanno provocato anche numerose vittime come nel casodel fenomeno di frana verificatosi a Stava. È evidente che gli argomenti trattatinon esauriscono quelli che sono i possibili utilizzi delle CPT, si è ritenuto chequelli trattati siano di maggiore interesse per i tecnici che operano nel settoredell’Ingegneria Civile. Si ringrazia l’Aracne Editrice per aver accettato di pubblicarequest’altro libro.

Luigi Esposito

Capitolo I

Introduzione alle CPT

.. Premessa

Rischio e incertezza sono caratteristiche del sottosuolo che non è possibile elimi-nare del tutto. Il livello più appropriato di sofisticazione per la caratterizzazione delsito e dell’analisi può essere basato sui seguenti punti:

— esperienza locale e precedente;— finalità del progetto;— livello di rischio geotecnico;— potenziale riduzione dei costi.

La valutazione del rischio geotecnico dipende dal pericolo, dalla probabilitàdell’evento e dalle conseguenze, i progetti possono essere classificati, in base alcriterio su esposto come, a rischio basso, moderato o elevato.

La finalità di ogni indagine geotecnica è di determinare:

— la natura e la sequenza degli strati (regime geologico);— condizioni della circolazione idrica sotterranea (regime idrologico);— caratteristiche fisiche e meccaniche degli strati coinvolti nel progetto.

Per indagini in quei siti per i quali si prevede la presenza di contaminanti aipunti precedenti, è necessario aggiungere il seguente:

— distribuzione e caratteristiche dei contaminanti.

I punti su indicati sono funzione del progetto proposto e dell’associato livellodi rischio. Un programma ideale d’indagine prevede un insieme di prove in sitoe di laboratorio in dipendenza del livello di rischio del progetto. La prova CPT ele sue versioni migliorate (vale a dire CPTu e SCPTu) hanno un uso estensivo inun gran numero di terreni diversi sebbene la prova inizialmente fosse limitata aterreni di bassa consistenza, i potenti moderni mezzi di spinta e la disponibilitàdi coni molto robusti, consentono oggi l’esecuzione della prova anche in terrenimolto duri e, in alcuni casi, in rocce tenere. La prova CPT ha i seguenti vantaggi:

— un rilievo continuo e veloce delle condizioni del sottosuolo;— dati ripetibili e affidabili (indipendenti dall’operatore);

Guida all’uso delle CPT

— economicità e produttività;— forti basi teoriche per l’interpretazione dei risultati.

Per contro si hanno i seguenti svantaggi:

— è necessario un investimento economico iniziale relativamente elevato;— richiede manodopera qualificata;— impossibilità del prelievo di campioni;— limitate possibilità di eseguire prove in ghiaia e /o strati cementati.

Sebbene non sia possibile ottenere campioni dall’esecuzione della prova CPT,la sua capacità di fornire dati con continuità consente di ottenere delle stratigrafiemolto dettagliate, oltre alle prime indicazioni sui parametri di resistenza meccanica,in base a questi dati è possibile eseguire un campionamento selettivo nelle zoneconsiderate critiche. Per eseguire una prova CPT è necessario disporre di unpenetrometro, questo è costituito da una punta conica con angolo di apertura di° ed area d’impronta di cm, al di sopra della punta è presente un manicottoper la misura della resistenza laterale locale, figura .. La forza totale agente sullapunta Qc rapportata alla sua superficie permette di determinare la resistenza allapenetrazione qc. La resistenza totale agente sul manicotto Fs rapportata alla suasuperficie determina la resistenza laterale locale, o “friction slive”, fs. Quando ènecessario misurare anche la pressione dei pori in avanzamento u, è necessarioche sia presente un filtro poroso sito poco sopra la punta conica, figura ..

Figura .. Schema di punta penetrometrica con indicazione delle sue parti principali.

. Introduzione alle CPT

.. Un po’ di storia

Nel è stato realizzato il primo penetrometro, questo era costituto da unapunta conica, con angolo di apertura di ° e area d’impronta di cm, postaall’estremità di aste di acciaio del diametro di mm, fatte scorrere all’interno ditubi del gas con diametro esterno di mm, figura ..

Figura .. Il primo penetrometro meccanico Olandese (da Sanglerat, ).

Nel presso le officine della “Delft Soil Mechanics Laboratory” venivarealizzato il primo penterometro manuale da tonnellate (kN), figura ..

Figura .. Immagine del primo penetrometro meccanico (da Delft Geotechnics).

Guida all’uso delle CPT

Nel era apportatato un primo sostanziale miglioramento alla primitivapunta olandese con l’introduzione di un mantello di forma conica subito sopra lapunta, questo aveva il compito di impedire al terreno di inserirsi nell’intercapedineesistente tra le tubazioni di rivestimento e le aste della punta, figura ..

Nel è stato introdotto il manicotto sopra la punta conica, consentendo intal modo anche la misura della resistenza laterale locale (Begemann, ), conquesto tipo di punta la misura era eseguita ogni centimetri, figura ..

Con l’introduzione della punta Begemann, e quindi con la possbilità di de-terminare il rapporto di frizione, sono stati proposti i primi diagrammi per ladeterminazione del tipo di terreno attraversato, figura ..

Figura .. Schema della punta olandese con l’introduzione del mantello (da Sanglerat, ).

Nel la FUGRO ha sviluppato per la prima volta una punta elettrica, questacostituisce la base per lo sviluppo dei moderni penetrometri. L’introduzione dellapunta elettrica ha comportato, rispetto a quella Begemann, i seguenti vantaggi:

— eleminazione degli errori di lettura dovuti agli attriti tra aste interne etubazioni di rivestimento, e al peso delle aste;

— prova continua con una costante velocità di penetrazione senza la necessitàdi alternare movimenti delle varie parti del penetrometro e con l’assenza dimovimenti indesiderati del terreno che influenzano la resistenza;

— semplicità e affidabilità delle misure della resistenza di punta e laterale localegrazie ai trasduttori elettrici.

Nel è stato introdotto per prima volta il filtro e il trasduttore per la misuradella pressione dei pori in avanzamento, nei primi tempi i filtri erano posti in varieposizioni e solo successivamento si sono assunte come standard la poszione , metàdel cono, e quella , poco sopra il cono.

. Introduzione alle CPT

Figura .. Schema della punta Begemann.

Figura .. Esempio di un primo diagramma per la classifca dei terreni da prove CPT con puntaBegemann.

.. Attrezzature per l’esecuzione delle CPT

Un’attrezzatura per l’esecuzione di prove CPT include le seguenti parti:

un penetrometro elettrico o meccanico; un sistema di spinta e delle aste;

Guida all’uso delle CPT

dei cavi o un sistema di trasmissione dei dati; un misuratore di profondità; un sistema d’acquisizione dati.

Nelle prossime sezioni saranno brevemente illustrate le caratteristiche solo dialcuni di queste parti, per maggiori dettagli si veda Robertson e Campanella ();Briaud e Miran (); Lunne e Ali ().

... Penetrometri

Un penetrometro standard consiste in una sonda di acciaio strumentata con trecanali che misurano la resistenza alla penetrazione, qc, quella laterale locale, fs, e lapressione dei pori generata dall’avanzamento della punta, um. La parte anterioredella sonda è costituita da una punta conica con angolo d’apertura di ° cheha un piccolo orlo, approssimativamente di mm, nella sua parte superiore. Ilpenetrometro è normalmente disponibile in due versioni standard: () la versionecon diametro della punta di , mm, cui corrisponde un’area di cm, e unasuperficie del manicotto, As = cm; () una versione con diametro della punta di mm, cui corrisponde una superficie Ac = cm, ed una superficie del manicotto,As = − cm, figura ..

La dimensione di cm della punta conica è stata la dimensione standard findalla nascita di quest’apparecchio, anche se ora si preferisce la dimensione mag-giore, cm, poiché è più adatta al rilievo della stratigrafia ed inoltre consente diinserire un maggior numero di sensori se necessario, figura . ed .. I penetrome-tri di piccole dimensioni sono utilizzati per indagini superficiali, per contro, quelloda cm è utilizzato per prove in ghiaia.

L’introduzione di sonde penetrometriche di grandi dimensioni ha permesso diutilizzare anche gli altri sensori appresso indicati:

— termoresistori;— geofoni (SCPT);— pressiometri;— telecamere;— rilevatori di radioisotopi;— misuratori di resistenza elettrica;— misura del dielettrico;— misuratori di pH;— misura dello scambio di ossigeno ed altri ancora.

Dei sensori su indicati quelli che più di frequente sono utilizzati sonoi geofoni triderezionali per l’esecuzione di prove sismiche tipo down–hole(SCPT).

Nei penetrometri moderni la misura delle resistenze, di punta e lateralelocale, sono ottenute attraverso celle di carico, o trasduttori di forza, poste invarie posizioni.

. Introduzione alle CPT

Figura .. Vari tipi di sonde penetrometriche, da sinistra: cm, cm, cm e cm.

Nel penetrometro tension–type cone, all’interno della sonda, e sopra la puntaconica, è posta una cella di carico che misura la forza necessaria all’avanzamen-to, Fc, una seconda cella di carico è utilizzata per misurare la forza assiale lungoil manicotto di frizione, Fs. Nel penetrometro detto “cono di tipo sottrattivo” lacella di carico è posta nella parte posteriore della sonda per cui misura la forzatotale (Fc + Fs), in questo secondo tipo di penetrometro è necessario misurareseparatamente la Fc che sottratta alla forza totale consente di determinare la Fs,figura ..

In casi particolari si possono utilizzare penetrometri di piccole dimensionicon area del cono che possono variare da ad cm, e il cui utilizzo è discussonella letteratura specializzata. Questi mini coni sono stati utilizzati in laboratorio

Guida all’uso delle CPT

Figura .. Dimensioni dei penetrometri standard da e cm

.

per le prove condotte nelle camere di calibrazione e in centrifuga, tuttaviaspesso sono utilizzati per prove in sito (Tumay e Ali, ).

Tabella .. Classi di penetrometri secondo le norme dell’EUROCODICE parte II.

Classe Tipo di prova Raccomandato per le seguenti condizioni del sottosuolo

1 TE2: qc; fs; u Inclinometro Depositi da molli a molto molli:normalmente non adatti per terrenistratificati con alternanza di stratia molli a densi.

2 TE2: qc; fs; u TE1: qc; fs. Inclinometro Depositi stratificati con alternanza di strati da molli a densi:rilievo della tratigrafia e interpretazione indicativa in stratimolli.

3 TE2: qc; fs; u TE1: qc; fs. Inclinometro Depositi stratificati con alternanza di strati da molli a densi:rilievo della tratigrafia e interpretazione indicativa in strati daduri a molto duri

4 TE1: qc; fs. Depositi stratificati con alternanza di strati da molli (sciolti) amolto duri (densi): rilievo della stratigrafia, nessunapossibilità d’interpretazione di parametri del terreno.

Penetrometri di grandi dimensioni sono stati sviluppati per particolari applicazioni,come, ad esempio, le versioni da e cm per prove in ghiaia, nella figura . sonoriportate alcune delle serie di penetrometri oggi disponibili. Il penetrometro di tiposottrattivo nel è divenuto molto popolare grazie alla sua robustezza, tuttavia interreni molli questo penetrometro perde di accuratezza nella determinazione di fs,dovuto sopratutto allo postamento dello zero in assenza di carico dei due trasduttori, equesti errori possono sommarsi nel tempo. Per una misura accurata di fs Robertson

. Introduzione alle CPT

Figura .. Schemi di diversi tipi di penetrometro: (a) punta e manicotto in compressione; (b) puntain compressione e manicotto in trazione; (c) cella di carico di tipo sottrattivo.

() raccomanda l’uso di sonde con celle separate, e con una buona progettazione(manicotto con egual area terminale e con celle separate) in tal modo è possibileottenere resistenze, di punta e laterale locale, ripetibili e affidabili è da tenere presente,tuttavia, che la misura di fs è sempre meno accurata di quella di punta, qc. Le normedell’EUROCODICE prevedono l’uso di diverse classi di penetrometri come indicatonella tabella ..

Figura .. Serie di penetrometri disponibili: sinistra serie di Van den Berg; centro serie FUGRO (da sinistra a destra: ; ; ; ed cm); destra serie Georgia Tech.( dal basso in alto cm ; serie di piezoconi con area cm: tipo ; tipo sismico; doppio piezocono. Punta da cm con sensori).

... Sistemi di spinta del penetrometro

I sistemi di spinta del penetrometro possono essere costituiti o da un’attrezzaturastandard di perforazione o sistemi idraulici dedicati alle CPT montati su autocarri,veicoli cingolati, veicoli per terreni sconnessi, montati su slitta o su sistemi portatili.Un sistema idraulico per prove CPT deve avere una capacità di spinta di almeno kN ( tonnellate). Nella figura . è riportata la foto di un veicolo contenente sistemiidraulici per prove CPT. Il sistema di spinta è di solito nel centro di massa del veicolo,e questi fanno affidamento sul peso proprio, che varia da a kN (da a tonnellate) per contrastare la spinta esercitata sul penetrometro. Solo in alcuni casiparticolari i veicoli sono zavorrati per raggiungere un valore del peso di kN (tonnellate). Vi sono anche sistemi idraulici montati su veicoli di peso molto inferiore,dai ai kN (dalle alle tonnellate) che utilizzano sistemi di ancoraggio al suolo