Geotecnica e Laboratorio Prove geotecniche in sito · INDAGINI IN SITO: finalità • Le indagini...

Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura

Geotecnica e Laboratorio

Prof. Ing. Marco Favaretti, Ing. Micol Schepis

e-mail: [email protected]

website: www.marcofavaretti.net

Prove geotecniche in sito

INDAGINI IN SITO: finalità• Le indagini geotecniche hanno lo scopo di rendere possibile, a costi ragionevoli, la

realizzazione di opere di ingegneria civile, riducendo le incertezze ed i rischi relativi allecaratteristiche dei terreni ad un livello accettabile, che è, ovviamente, funzionedell’importanza dell’opera. Più in dettaglio, le indagini geotecniche sono rivolte a:

1. l’individuazione del profilo stratigrafico, in termini di litotipi presenti, disposizionegeometrica dei contatti stratigrafici, presenza di elementi strutturali rilevanti (adesempio faglie attive) e definizione del regime idraulico delle acque sotterranee;

2. la determinazione delle caratteristiche fisiche (granulometria, plasticità, pesodell'unità di volume, contenuto d'acqua, grado di saturazione, ecc.), meccaniche(deformabilità e resistenza al taglio) ed idrauliche (permeabilità) dei litotipiindividuati;

3. il controllo della variazione nel tempo di alcune grandezze, quali, ad esempiospostamenti, forze, e pressioni interstiziali, assunte come rappresentative delcomportamento di un’opera in fase di realizzazione o completata.

• L'insieme delle attività 1 e 2 va sotto il nome di "caratterizzazione geotecnica", le attività dicui al punto 3 costituiscono il cosiddetto "monitoraggio".

INDAGINI IN SITO : finalità• Le indagini geotecniche devono essere programmate in funzione del tipo di

opera e devono riguardare il volume significativo del terreno (volume disottosuolo interessato dalle variazioni di stato tensionale causate dallacostruzione del manufatto).

• Le indagini devono essere finalizzate alla definizione di uno o più modelligeotecnici del sottosuolo necessari alla progettazione, ovvero schemirappresentativi delle condizioni stratigrafiche, geotecniche ed idrauliche dautilizzare nell’analisi quantitativa di un determinato problema geotecnico.

• L’interpretazione ragionata e cautelativa delle prove in sito e delle prove dilaboratorio deve condurre alla stima dei valori caratteristici dei parametrigeotecnici rappresentativi del comportamento del terreno.

• E’ responsabilità del progettista definire il piano d’indagine, la caratterizzazionee la modellazione geotecnica.

INDAGINI IN SITO: caratteristiche

VantaggiNon è necessario il prelievo di campioni. A tale riguardo le prove in sito sono spesso l'unica fonte diinformazioni disponibile per caratterizzare il comportamento meccanico dei terreni incoerenti per iquali il prelievo di campioni indisturbati è impossibile.

Con alcune attrezzature è possibile ottenere la registrazione continua con la profondità di parametriche mettono in luce la presenza di caratteri stratigrafici come intercalazioni, lenti di materiali di diversapermeabilità, passaggi di strato.

Possibilità di indagare un volume di terreno superiore a quello corrispondente ad un campione di laboratorio, con le sue peculiarità macrostrutturali.

Maggiore rapidità di esecuzione

Minore costo specifico (soprattutto per quanto riguarda le prove penetrometriche). Ciò rende possibileinvestigare un numero elevato di verticali con una spesa inferiore a quella necessaria per eseguire unuguale numero di sondaggi con prelievo di campioni indisturbati da inviare al laboratorio.

Per la determinazione del profilo stratigrafico del sottosuolo e delle caratteristiche meccaniche deiterreni presenti, le prove in sito costituiscono un utile complemento alla sperimentazione inlaboratorio su campioni di terreno indisturbati. Una disanima dei vantaggi e degli svantaggi delleprove in sito è elencata di seguito.

INDAGINI IN SITO: caratteristiche

SvantaggiForniscono un quadro relativamente limitato delle caratteristiche meccaniche del materiale (adesempio, non è possibile ottenere informazioni sulle caratteristiche di resistenza e deformabilità intensioni efficaci di un terreno coesivo da prove penetrometriche);

A differenza della maggior parte delle prove di laboratorio convenzionali, le prove meccaniche in sitosollecitano il terreno in maniera disomogenea, con percorsi di tensione e deformazione diversi dapunto a punto; pertanto l'interpretazione della risposta meccanica del terreno alle sollecitazioniimposte richiede pertanto la risoluzione di un problema ai limiti di complessità spesso proibitiva

Nelle prove in terreni coesivi sussiste sempre una incertezza riguardo le effettive condizioni didrenaggio (condizioni non drenate, consolidazione parziale), legata alle caratteristiche di permeabilitàe rigidezza del deposito e alla localizzazione di potenziali recapiti drenanti.

Il grado di disturbo prodotto dall’inserimento dello strumento di misura talvolta è molto elevato.

Relazione fra indagini geotecniche e progetto

Modello geotecnico del terreno

Interpretazione critica delle indagini

Affidamento delle indagini ad un’impresa specializzata e controllo in corso d’opera

Definizione della profondità d’indagine, del tipo e del numero di indagini

Analisi e definizione dei problemi geotecnici posti dalla costruzione dell’opera


Nuovi insediamenti

urbani

- Tipologia e dimensionamento delle

fondazioni- Instabilità dei pendii

- Alterazione del regime delle acque

Nuovi insediamenti

industriali

- Tipologia e dimensionamento delle fondazioni

- Instabilità dei pendii- Alterazione del regime delle

acque- Inquinamento della falda


Ristrutturazione insediamenti

esistenti

- Tipologia e stato delle fondazioni ed adeguamento delle

fondazioni ai nuovi carichi- Scelta e dimensionamento

degli interventi di sottofondazione

- Cedimenti e lesioni nelle murature

Scavi in sotterraneo

- Cedimenti degli edifici in superficie

- Progetto del sistema di scavo e del rivestimento



Scavi in superficie

- Cedimenti degli edifici vicini- Scelta e dimensionamento

delle opere di sostegno - Stabilità dello scavo


Discariche

- Idoneità del sito- Progetto dei sistemi di impermeabilizzazione

- Instabilità dei depositi

Relazione fra indagini geotecniche e progetto: estensione delle indagini

Volume significativo: parte del terreno che interagisce con la struttura e che ne influenza il comportamento (e quindi entro il quale vanno condotte le indagini).

Volume entro il quale l'incremento della tensione verticale efficace σ'v (z) eccede di oltre il 10% - 15% la tensione verticale efficace preesistente σ'vo (z) in assenza di sovraccarichi.

Relazione fra indagini geotecniche e progetto:estensione delle indagini

Indicazioni sul volume significativo del sottosuolo a seconda del tipo e delle dimensioni del manufatto, nel caso di terreno omogeneo

Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche dell’Associazione Geotecnica Italiana (AGI, 1977)

Relazione fra indagini geotecniche e progettoIl grado di approfondimento dell’indagine geotecnica nel volume significativo del sottosuolo dipendedalla fase di progettazione (di fattibilità, definitiva o esecutiva), dalla complessità delle condizionistratigrafiche e geotecniche, e dall’importanza dell’opera.Secondo l’Eurocodice per l’ingegneria geotecnica (EC7) le opere da realizzare possono essere classificatein tre categorie (GC) di importanza crescente, cui ovviamente corrispondono gradi di approfondimentocrescenti dell’indagine geotecnica.


Ampiezza orientativa dell’indagine geotecnica

Relazione fra indagini geotecniche e progettoPer ottenere dai valori delle grandezze misurate con prove in sito i valorinumerici dei parametri geotecnici utili nella progettazione, si utilizzanocorrelazioni, che a seconda della prova possono essere:

Correlazioni primarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dal risultatodella prova utilizzando una solida base teorica con poche ipotesi da verificare(ad es. la stima di G0 da misure di Vs);

Correlazioni secondarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dalrisultato della prova utilizzando una solida base teorica, ma conapprossimazioni e ipotesi sostanziali, e in genere con parametri intermedi (ades. la stima di cu da qc);

Correlazioni empiriche, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dal risultatodella prova senza giustificazione teorica (ad es. la stima di qlim di fondazioni susabbia da NSPT).

Relazione fra indagini geotecniche e progettoDiagramma di flusso per l’interpretazione delle indagini

INDAGINI IN SITO

I mezzi di indagine più diffusi in Italia, comunemente impiegati per laprogettazione di opere di categoria GC2 sono:

le perforazioni di sondaggio

le prove penetrometriche dinamiche (SPT )

le prove penetrometriche statiche (CPT)

le prove penetrometriche con piezocono(CPTU)

INDAGINI IN SITO I mezzi di indagine più diffusi in Italia, comunemente impiegati per laprogettazione di opere di categoria GC2 sono:





Con il termine "sondaggio" si indica una perforazione del terreno effettuata a scopo di indagine utilizzando una macchina denominata "sonda".

Le principali finalità dei sondaggi sono:

1. il riconoscimento della stratigrafia;2. il prelievo di campioni indisturbati per la determinazione delle caratteristiche

fisiche e meccaniche;3. il raggiungimento di una determinata profondità alla quale condurre prove in

sito;4. l'installazione di strumenti di misura (assestimetri, inclinometri, piezometri).

INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio


In particolare:

Per sondaggio stratigrafico si intende una perforazione del terreno, in generein direzione verticale, che consente di riconoscere la successione stratigrafica,mediante l’esame visivo e l’esecuzione di alcune prove di riconoscimento sulmateriale estratto.

Se la perforazione permette, oltre al riconoscimento stratigrafico, anche ilprelievo di campioni ‘ indisturbati’ di terreno e l’esecuzione di prove in foro perla determinazione delle proprietà geotecniche dei terreni in sede, il sondaggioè detto geotecnico.

Con le perforazioni di sondaggio è possibile attraversare qualunque tipo diterreno, anche a grande profondità e sottofalda.


• Se lo scopo della perforazione è solo quello di raggiungere una data profondità, adesempio per installare uno strumento di misura, e non interessa il riconoscimentostratigrafico o il prelievo di campioni rappresentativi, il sondaggio è detto a distruzione(metodo a percussione).

• Se invece si vuole identificare in dettaglio la successione stratigrafica occorre eseguireuna perforazione di sondaggio a carotaggio continuo. La tecnica di perforazioneattualmente più utilizzata per i sondaggi a carotaggio continuo è a rotazione. Con leperforazioni a carotaggio continuo, è possibile il riconoscimento dei litotipi presentimediante il recupero di colonne di terreno dette carote.

I sondaggi a carotaggio continuo possono ancora essere divisi in sondaggi:• geognostici – consentono la definizione del profilo stratigrafico e delle condizioni

idrauliche nel sottosuolo; i campioni che sono prelevati con i normali utensili di perforazione sono delle classi Q1 e Q2;

• geotecnici – oltre alle informazioni riguardanti il profilo stratigrafico prevedono il prelievo di campioni indisturbati per prove di laboratorio (classe Q4 e Q5) e/o l'esecuzione di prove in sito.

INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Caratteristiche dell’attrezzatura e campo ottimale di applicazione per ciascuna

tecnica di perforazione

Perforazioni a percussione

• La tecnica consiste nella disgregazione del terreno per mezzo dell'azione battente di unutensile di perforazione sollevato da un argano mediante funi e lasciato cadere al fondodel foro.

• Questo tipo di perforazione è usato quasi esclusivamente per l'attraversamento diterreni non coesivi a grana grossa. La profondità ed il diametro del foro dipendono daltipo di utensile utilizzato, dalla energia d’urto e dal tipo di terreno attraversato. Ilsostegno delle pareti del foro è affidato ad un tubo metallico di rivestimento.

• I vantaggi dei sondaggi a percussione sono il loro basso costo e la semplicità diesecuzione.

• Gli svantaggi risiedono nel disturbo arrecato al terreno in posto che rende impossibile ilprelievo di campioni di buona qualità a fondo foro. Poiché la perforazione è eseguita inpresenza d’acqua, immessa nel foro o proveniente dalla falda, i materiali estratti sonodilavati, con perdita della frazione fina. Il materiale estratto dal foro, inoltre, risultacompletamente rimaneggiato, il che rende difficile ricavare indicazioni anche solo sullapresenza e sulla posizione di eventuali contatti stratigrafici.


Perforazioni a rotazione

• La disgregazione del materiale è affidata ad un utensile di perforazione che è soggetto ad unmovimento combinato di rotazione e traslazione (avanzamento) trasmesso dall'equipaggiomobile (mandrino) della sonda mediante una batteria di aste.

• Con l'eccezione della perforazione con trivelle, l'estrazione del detrito di perforazione,contemporanea alla fase di perforazione vera e propria, è affidata alla circolazione di fluidi(acqua o fango bentonitico), immessi nel foro attraverso le aste (circolazione diretta) o lungole pareti (circolazione inversa), che svolgono anche le importanti funzioni di raffreddamentodell'utensile di scavo e di sostegno delle pareti del foro.

• La perforazione senza circolazione di fluido (a secco) è possibile solo per brevi tratti eprovoca un forte essiccamento del terreno per effetto del riscaldamento prodotto dallarotazione della corona.



L’utensile di perforazione più semplice consiste in un tubo di acciaio (carotiere) la cuiestremità inferiore è munita di una corona tagliente provvista di elementi di metalloduro. Nella perforazione con carotaggio continuo il fluido di circolazione disturba ilcampione di terreno prelevato all'interno del carotiere (carota) che pertanto non puòessere utilizzato per l'esecuzione di prove meccaniche di laboratorio.

Il carotiere semplice:• dà risultati soddisfacenti in terreni coesivi consistenti;• talvolta per ridurre il disturbo arrecato alla carota viene impiegato a secco, cioè senza

circolazione di fluidi (il riscaldamento prodotto per attrito sull'utensile tagliente disturbacomunque le caratteristiche fisico-meccaniche del materiale).

Il carotiere a doppia parete :• fornisce risultati soddisfacenti in quasi tutti i tipi di terreno con la sola eccezione dei

terreni incoerenti a grana grossa.• Le azioni di disturbo esercitate dal fluido di circolazione e dal movimento rotatorio

dell'utensile sono ridotte al minimo grazie alla presenza del tubo interno che ruotaliberamente rispetto alla parete esterna ed isola il materiale dal fluido di circolazione. Leazioni di disturbo sono ancora significative in corrispondenza della corona taglienteperché in genere la scarpa del tubo interno è arretrata rispetto a quella della pareteesterna. In casi particolari (terreni coesivi molto teneri) è possibile utilizzare carotieridoppi con scarpa interna avanzata rispetto al tagliente esterno.



Carotiere wire-line:inizialmente nato per la perforazione a carotaggio continuo in roccia, successivamenteè stato modificato per l’esecuzione di sondaggi in terreni di qualsiasi natura. E’costituito essenzialmente da:

o una batteria di aste di perforazione entro le quali, nella parte bassa terminale, èricavata una sede per il carotiere o l’utensile di perforazione in genere;

o un carotiere che scorre all’interno delle aste di perforazione e possiede un sistema diaggancio che lo rende solidale alle aste.

Nell’intercapedine fra la parete esterna del carotiere e la parete interna delle astescorre il fluido di circolazione, che ha il compito di lubrificare il foro ed asportare idetriti di perforazione. A seconda del tipo di terreno vi possono essere diversi tipi dicarotiere o al posto del carotiere può essere calato dentro la batteria di aste unutensile disgregatore. L’utensile è calato entro la batteria di aste e recuperato medianteun sistema a fune (da qua il nome wire-line) che ha all’estremità un “pescatore”,conformato in modo tale da permettere le operazioni di aggancio-sgancio.


INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio • Per assicurare la stabilità delle parete e del fondo del foro, ove necessario, si

utilizza una batteria di tubi di rivestimento oppure un fluido costituito ingenere da una miscela di acqua con una percentuale del 3-5% di bentonite(fango bentonitico).

• La bentonite è un’argilla di origine vulcanica molto plastica (Ip =50 ÷ 100).• Il fango bentonitico è caratterizzato da un peso di volume di poco superiore a

quello dell’acqua e da tixotropia, ovvero da una viscosità molto elevata in statodi quiete e molto minore in stato di moto.

• Mantenendo il livello del fango superiore a quello della falda si impediscel’entrata dell’acqua nel foro e se ne assicura la stabilità. Tuttavia sullasuperficie del foro viene a formarsi una pellicola impermeabile che nonconsente l’esecuzione di prove di permeabilità e di misure piezometriche.

• I risultati di una perforazione di sondaggio vengono riportati in una schedastratigrafica ove, oltre ai dati generali relativi al cantiere e alle attrezzatureimpiegate, è rappresentata graficamente la successione degli strati con larelativa descrizione, la profondità della falda, la profondità dei campioniestratti, la profondità ed i risultati delle prove eseguite nel corso dellaperforazione.

INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Esempio di scheda stratigrafica

Cassetta stratigrafica

Gli apparecchi per il prelievo di campioni a disturbo limitato o indisturbati daifori di sondaggio sono detti “campionatori” e devono essere scelti in relazionealle caratteristiche del terreno che si intende campionare.Per la determinazione delle caratteristiche meccaniche il campione deve averedimensioni minime pari a: diametro 100 mm, lunghezza 600 mm.

A seconda delle caratteristiche geometriche e delle modalità di impiego icampionatori possono essere classificati in:

o campionatori a parete grossa, infissi staticamente o dinamicamente (Reynolds)o campionatori a parete sottile a tubo aperto, infissi staticamente (Shelby)o campionatori a parete sottile a pistone, infissi staticamente a comando

meccanico, o a comando idraulico (Osterberg)o campionatori a parete sottile continui (Kiellman)o campionatori per campioni di grandi dimensioni (Sherbrooke e Laval)o campionatori a rotazione a doppia parete (Denison o Mazier).


INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio • I campioni estratti durante la perforazione possono avere diverso grado di disturbo in

funzione sia della tecnica e degli strumenti utilizzati per il prelievo, sia della natura delterreno stesso. In particolare con gli usuali mezzi e tecniche di prelievo non èpossibile estrarre campioni ‘ indisturbati’ di terreno incoerente.

• Per i campioni di terreno si distinguono 5 classi di qualità, crescente da Q1 a Q5,ottenibili con campionatori e terreni di tipo diverso.

Classi di qualità dei campioniClassi di qualità dei campioni ottenibili con

campionatori di tipo diverso

Prelievo di campioni di

buona qualità

Effetti del campionamento

Nel prelievo di un campione dal terreno esistono numerosi fattoriche producono un disturbo più o meno marcato del materialerispetto alle condizioni che esso conosce in sito. In particolare,prenderemo in esame i seguenti fattori:

• alterazione dello stato tensionale (totale ed efficace);• effetti della perforazione;• effetti del prelievo (infissione ed estrazione del campionatore).

Il primo fattore è sempre presente (inevitabile); gli altri duedipendono dalle modalità di prelievo del campioni dal foro disondaggio e possono essere, se non eliminati, quanto menominimizzati seguendo opportune procedure.


INDAGINI IN SITO: le prove penetrometricheLe prove penetrometriche si fondano sull'idea che la resistenza opposta dal terreno alla

penetrazione di uno strumento dipenda dalle sue caratteristiche meccaniche (soprattutto dallasua resistenza, dato che la penetrazione è un fenomeno di rottura) oltre che dallo stato delmateriale. Si distingue tra:

prove penetrometriche dinamiche– con campionatore Raymond (Standard Penetration Test o SPT);– con punta conica (Standard Cone Penetration Test o SCPT);– continua (Dynamic probing o DP)

prove penetrometriche statiche– con punta meccanica Begemann (cono "olandese", Cone Penetration Test o CPT);– con punta elettrica (Cone Penetration Test o CPT);– con punta piezometrica (piezocono o CPTU, la U serve per ricordare che nel corso della prova

si misurano le pressioni interstiziali).

I risultati delle prove penetrometriche possono essere utilizzati per indagare:• profilo stratigrafico;• grado di sovraconsolidazione (OCR);• stato di addensamento (Dr);• resistenza in tensioni totali (cu);• resistenza in tensioni efficaci (j');• deformabilità in tensioni totali (Eu);• deformabilità in tensioni efficaci (E');• caratteristiche idrauliche (Cv).

INDAGINI IN SITO






• La prova SPT, ideata negli Stati Unitinel 1972, consiste nel far cadere unmaglio, del peso di 63.5 kg, daun’altezza di 760 mm, su una testa dibattuta fissata alla sommità di unabatteria di aste alla cui estremitàinferiore è avvitato il campionatore didimensioni standardizzate (Raymond).

• La prova viene eseguita al fondo di unforo di sondaggio spinto allaprofondità desiderata.

• Le prove SPT permettono laricostruzione del profilo stratigraficomediante riconoscimento diretto deiterreni recuperati all’interno delcampionatore .

INDAGINI IN SITO: le prove SPT

Il numero di colpi necessario per una penetrazione del campionatore pari a 300 mm(dopo l’eventuale penetrazione quasi-statica per gravità e dopo 150 mm di infissionedinamica per il posizionamento) è il dato assunto come indice della resistenza allapenetrazione (Nspt):

NSPT = N2 + N3


• Se con N2 + N3 = 100 non si raggiunge l’avanzamento di 30 cm, sidice che la prova è andata “a rifiuto”, l’infissione è sospesa e laprova è considerata conclusa, annotando la relativa penetrazione.

• Al termine di ciascuna determinazione il campionatore Raymondviene riportato in superficie per consentire l’approfondimento delforo e per recuperare il campione che è di classe Q2 (al massimoQ3).

• Limitazioni esecutive: poco attendibile per terreni ghiaiosi perinterferenze tra campionatore Raymond e particelle grossolane(ricorso alle prove LPT).



VANTAGGI SVANTAGGI

può essere eseguita in qualunque tipodi terreno, anche se il campo diimpiego ottimale è relativo ai terrenisabbiosi

si tratta di una misura discontinua

consente il riconoscimento diretto deiterreni attraversati

bisogna eseguire un foro di sondaggio

esistono un gran numero di correlazioniempiriche e di metodi di progettobasati sulla misura di NSPT (grandediffusione, uso lungo e documentato)

si riscontra una leggera dipendenza deirisultati della prova dalle modalità diesecuzione del foro

nei terreni a grana fina, le operazioni dibattitura inducono la generazione dielevate sovrappressioni interstiziali.

I risultati di una prova SPT sono influenzati da alcuni fattori che possonoessere suddivisi in tre gruppi principali:

1. tecnica di perforazione (metodo di sostegno del foro, metodo di avanzamento delforo, diametro del foro);

2. attrezzatura utilizzata per l’esecuzione della prova SPT (dispositivo dibattitura comprendente la testa di battitura in acciaio, il maglio e il dispositivo dirilascio, caratteristiche del campionatore);

3. procedura di esecuzione della prova (penetrazione iniziale, infissionepreliminare, infissione vera e propria, frequenza di battitura).

In particolare esistono numerosi dati relativi all’influenza del diametrodel foro sulla resistenza alla penetrazione. Skempton (1986) ha suggeritodi correggere i valori di NSPT ottenuti in fori di grande diametro attraversoun coefficiente correttivo, Cd, i cui valori sono tabellati:

NSPT corretto = NSPT misurato × Cd


o Per quanto riguarda l’influenza dell’attrezzatura sulla resistenza alla penetrazionesi è proposto di valutare l’efficienza del sistema di infissione mediante una misuradell’energia effettivamente ceduta dal maglio alle aste. Essa viene espressaattraverso il cosiddetto rendimento energetico, ER, che rappresenta il rapportotra l’energia effettivamente ceduta dal maglio alle aste e l’energia potenzialeteorica del maglio.

o Molti ricercatori hanno misurato l’energia effettivamente ceduta dal maglio alleaste in diversi sistemi di infissione e trovato una notevole variabilità.

o Per tenere conto di questa osservazione, Seed et al. (1985) hanno suggerito che ilnumero di colpi dell’SPT sia corretto rispetto ad un valore di riferimento checorrisponde al 60% dell’energia potenziale del maglio:

N60 = NSPT×(ER/0.60)

perché la maggior parte delle misure effettuate su sistemi di infissionetradizionali, in base ai quali sono state stabilite le correlazioni empiriche adottatenella pratica progettuale, mostrano che il valore medio dell’energiaeffettivamente ceduta è pari al 60% dell’energia potenziale teorica del maglio.


Utilizzo dei risultatiLa prova SPT appartiene a quel gruppo di prove in sito durante le quali il terreno seguedei percorsi degli sforzi efficaci diversi ed i risultati della prova possono essere correlatisolo empiricamente con le specifiche proprietà del terreno in sito.Ne consegue che è necessario essere consci delle molte limitazioni di tali correlazioni, acausa dei molti fattori che influiscono sul comportamento non lineare e plastico deiterreni naturali:

• Composizione mineralogica• Sforzi agenti in sito• Storia dello stato tensionale e deformazionale• Struttura• Cementazione• Resistenza alla frantumazione dei grani sottoposti agli elevati sforzi necessari per la

penetrazione

Viene quindi considerato principalmente solo l’approccio indiretto, cioè l’interpretazionedei risultati per la stima dei parametri geotecnici, accennando solo per i cedimenti deidepositi sabbiosi alla correlazione diretta più nota (Burland et al., 1977).


Utilizzo dei risultati: SabbieCORRELAZIONI DENSITA’ RELATIVA – RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE (DR-NSPT)

Il numero di colpi NSPT è un indice della resistenza (di picco) del terreno. Ne deriva che correlazionidirette tra NSPT e angolo di attrito siano concettualmente sbagliate, perché esse devono contenereanche una dipendenza dalla tensione efficace.

Nei terreni a grana grossa, tuttavia, l'angolo di attrito al picco, φ’p, non è una proprietà delmateriale ma un parametro che dipende dallo stato in cui si trova il materiale (mentre è unaproprietà del materiale l'angolo di attrito a volume costante, φ’cv, o di stato critico). In particolarel'angolo di attrito di picco cresce all'aumentare della dilatanza e poiché quest'ultima dipende dallostato di addensamento e dal livello tensionale è lecito attendersi che l'angolo di attrito al piccocresca all'aumentare della densità relativa e diminuisca al crescere del livello tensionale (efficace).

Allo stato attuale, pertanto, si preferisce correlare NSPT alla densità relativa e poi da questa e dallostato tensionale efficace risalire all'angolo di attrito al picco.

Le prime correlazioni tra la densità relativa ed NSPT sono state introdotte da Terzaghi e Peck (1948),nell'ambito di un metodo di dimensionamento delle fondazioni dirette. Successivamente Gibbs eHoltz (1957) hanno mostrato che la resistenza alla penetrazione sia influenzata non solo dalladensità relativa ma anche dalla tensione verticale efficace, suggerendo la correlazione:



Valida per sabbie quarzose, non cementate, moderatamente compressibili.

In cui pa è la pressione atmosferica (pa=100 se σ’v0 è espresso in kPa)

Gibbs e Holtz (1957)


Gibbs e Holtz (1957)

Meyerhof (1957)


Bazaraa (1967)Relazione più adatta a sabbie sovraconsolidate o costipate in cantiere.



Skempton (1986)

Yoshida e Kokusho (1988)


CORRELAZIONI DIRETTE ANGOLO DI ATTRITO EFFICACE – RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE (φ’ – NSPT )

De Mello (1971)


Consente la valutazione dell’angolodi attrito φ’ in base al valore di NSPT edello sforzo verticale efficace σ’v0(tiene quindi in considerazionel’influenza del peso del terrenosovrastante). E’ tra le più utilizzateessendo una correlazione diretta traNSPT e φ’ e non derivata dalla DR,evitando le approssimazioni dovuteal passaggio.

Valida per sabbie quarzose, non cementate, moderatamente compressibili.

Peck, Hanson e Thornburn (1974) approssimabile con l’equazione di Wolff (1989)


Schmertmann (1975)


Schmertmann (1977)

INDAGINI IN SITO: le prove SPTCORRELAZIONI INDIRETTE ANGOLO DI ATTRITO EFFICACE – RESISTENZA ALLA

PENETRAZIONE (φ’ – NSPT )

Stima indiretta dell’angolo di attrito efficace φ’ a partire dalla densità relativa DR

precedentemente stimata dai risultati delle prove SPT per differenti granulometrie


L’esistenza stessa di molte correlazioni è un chiaro segno delleincertezze e delle approssimazioni insite nelle procedure empirichedi stima.

Per tale motivo può essere opportuno confrontare i valori stimaticon le diverse correlazioni ed utilizzare come valore di progettodell’angolo di resistenza la taglio di picco di uno strato di sabbia, lamediana delle stime, escludendo eventuali valori anomali.

Si tenga presente che poiché il terreno non è omogeneo, i valori diNSPT ottenuti nella stessa formazione possono anche esseresensibilmente diversi tra loro, e che la presenza di ciottoli e ghiaiapuò determinare valori di NSPT errati e inaffidabili.

I risultati delle prove SPT sono anche adoperati nella progettazione diretta e nel calcolodei cedimenti delle fondazioni superficiali. Per quanto appena espresso, questo genere dicorrelazioni sono applicabili solo per la progettazione di fondazioni superficiali (ossia perun intervallo limitato di σ’v).

Burland, Broms e De Mello (1977) hanno proposto un metodo per la previsione delcedimento sulla base dei risultati di prove SPT, elaborando a tal fine oltre 200 casi diosservazione del cedimento di opere in vera grandezza (edifici, serbatoi, rilevati) fondatisu terreni a grana grossa.

Gli autori ritengono che sia possibile assegnare dei limiti superiori al rapporto cedimento/carico ammissibile, funzione della larghezza della fondazione (B), per tre caratteristiche diaddensamento della sabbia basate sul valore di NSPT.

Il campo di variabilità di questo metodo sembra essere fra 0,5 ed 1,5 volte il valoremassimo ricavabile dal grafico.

Il metodo sembra particolarmente attendibile per B > 3 m.


INDAGINI IN SITO: le prove SPTBurland, Broms e De Mello (1977)

INDAGINI IN SITO: le prove SPTTerreni coesivi: Stima della resistenza al taglio non drenata (Cu)In questa categoria di terreni sono compresi: sabbie limose fini, limi e argille.

Poiché la penetrazione avviene a percussione (prova dinamica), nei terreni a granafine durante la prova nascono sovrappressioni interstiziali e la rottura avviene incondizioni non drenate. Pertanto non è possibile una stima dei parametri diresistenza la taglio (c’ e tanφ’), ma eventualmente e con molta incertezza soltantodella resistenza al taglio non drenata Cu.

La resistenza al taglio non drenata di un’argilla non sensitiva può essereapprossimativamente stimata dai risultati di prove SPT con la correlazione di Stroud(1974):

In cui f1 è un coefficiente funzione dell’indice di plasticità e mediamente vale 4,4 kPa.

INDAGINI IN SITO: le prove SPTRappresentazione NSPT - Profondità

INDAGINI IN SITO






La prova penetrometrica statica CPT (Cone Penetration test) è un mezzo d’indagine moltodiffuso in Italia poiché, ad un costo modesto, permette l’identificazione della successionestratigrafica lungo una verticale e la stima di molti parametri geotecnici sia in terreni a granafine che in terreni a grana grossa (ghiaie escluse).La prova è autoperforante, ovvero non richiede l’esecuzione di un foro di sondaggio econsiste nell’infissione a pressione nel terreno a partire dal p.c. e alla velocità costante di20 mm/s, di una punta conica standardizzata con apertura di 60° e diametro di 35.7 mm,collegata al dispositivo di spinta mediante una batteria di tubi. Il contrasto necessario adinfiggere il penetrometro è di norma ottenuto col peso dell’autocarro, eventualmentezavorrato, su cui è installata l’attrezzatura.

INDAGINI IN SITO: le prove CPT

Il penetrometro statico ha subito nel tempo modifiche e miglioramenti edattualmente ne esistono due tipi:

1. Il penetrometro meccanico con manicotto d’attrito;2. Il penetrometro elettrico .

Nel penetrometro meccanico con manicotto d’attrito (punta Begemann), lapunta conica è solidale con una batteria di aste coassiali ad una tubazione dirivestimento. La parte finale, ovvero più prossima alla punta, della tubazione dirivestimento è mobile e costituisce il manicotto d’attrito.


INDAGINI IN SITO: le prove CPTFASI DELLA PROVA

1. Inizialmente, esercitando una forza F1 sulle aste interne collegate alla punta, si faavanzare a velocità costante la sola punta per una lunghezza di 40 mm. L’areadella punta è:

e la pressione media alla punta durante l’avanzamento (resistenza alla punta) vale:

2. Al termine della corsa di 40 mm, viene agganciato il manicotto d’attrito, che hauna superficie laterale As = 150 cm2 , e si continua a far avanzare la punta avelocità costante per altri 40 mm, che nella penetrazione trascina con se ilmanicotto. Se si indica con F2 la forza necessaria a far avanzare il penetrometro inquesta seconda fase, e se si fa l’ipotesi che la resistenza di punta non sia variatarispetto al tratto precedente, è possibile calcolare la tensione tangenziale medialungo la superficie del manicotto (resistenza laterale locale) con la relazione:


3. In una terza fase la spinta vieneapplicata alle aste esterne che, apunta ferma, raggiungono prima ilmanicotto e poi la punta, e infinefanno avanzare l’intero sistema.

Le operazioni descritte sonoripetute ogni 20 cm.

Il penetrometro meccanico puòoperare fino a profonditàdell’ordine di 40 m ed oltre.

I risultati della prova sonorappresentati in grafici aventi inordinata la profondità e in ascissale misure di qc ed fs ogni 20 cm.

I principali limiti del penetrometromeccanico derivano dal fatto che leresistenze alla penetrazione sonodedotte da misure di forze eseguitein superficie, e quindi sono affetteda errori dovuti al peso proprio, alladeformabilità delle aste ed agliattriti tra le varie partidell’attrezzatura.Inoltre la profondità delle misure èdesunta dalla lunghezza delle aste equindi soggetta ad errori derivantidalla deviazione dalla verticale.Infine le misure di qc ed fs nonsono indipendenti tra loro e siriferiscono a profonditàleggermente diverse , per cui lapresenza di terreni fittamentestratificati può condurre ad errori distima.


INDAGINI IN SITO: le prove CPTNel penetrometro elettrico, naturaleevoluzione del penetrometromeccanico, le misure di resistenzaalla punta e resistenza laterale localesono eseguite localmente ed in modotra loro indipendente con trasduttorielettrici che inviano un segnale allacentralina posta in superficie.

Un inclinometro alloggiato nelle astepermette di misurare la deviazionedalla verticale e di correggerne glierrori conseguenti. I dati sonoacquisiti in forma numerica erappresentati graficamente durantel’esecuzione della prova.

I limiti risiedono nel maggior costo enegli errori derivanti dallecomponenti elettroniche ( sensibilitàalle variazioni di temperatura,calibrazione,…)

INDAGINI IN SITO: le prove CPTINTERPRETAZIONE DEI RISULTATI

L’analisi dei risultati di prove CPT consente in primo luogo il riconoscimentolitologico dei terreni attraversati e la ricostruzione della successionestratigrafica.Questa prima fase interpretativa è fondamentale e necessaria per ogni

ulteriore interpretazione geotecnica. Infatti durante la prova vengonomisurate le resistenze di punta e di attrito laterale opposte dal terrenonelle condizioni di rottura determinate dalla penetrazione dello strumentocon una velocità costante di 2 cm /sec.A seconda della permeabilità del terreno la rottura avviene in condizioni

drenate o non drenate.Pertanto il modello interpretativo del fenomeno della rottura ècondizionato dal tipo di terreno.

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI:Riconoscimento stratigraficoLa resistenza di punta offerta da un terreno sabbioso è, di norma, nettamente superiore allaresistenza offerta da terreni argillosi di media e bassa consistenza.La carta di classificazione più accreditata per il penetrometro statico meccanico è quella diSchmertmann (1978) che ha in ascissa il rapporto adimensionale:

detto rapporto d’attrito o delle resistenze, in scala naturale, ed in ordinata la resistenza di puntaqc in scala logaritmica.Per il penetrometro elettrico si può fare riferimento alla carta di Robertson e Wride (1998), cheha in ascissa il rapporto d’attrito normalizzato:

e in ordinata la resistenza di punta normalizzata:

entrambe le variabili in scala logaritmica. L’esponente ‘n’ della resistenza di punta normalizzataha valori compresi tra 1 (terreni argillosi) e 0,5 (sabbie pulite).



Schmertmann (1978)


Robertson e Wride (1998)

La carta di Robertson è suddivisa in 9 zone cui corrispondono altrettante classidi terreno. Le curve che delimitano le zone da 2 a 7 possono essereapprossimate, nel piano bilogaritmico, con archi di centri concentrici. Il raggiodei cerchi è l’indice del tipo di terreno, Ic; le coordinate del centro comunevalgono : x0=-1,22 ; y0= 3,47. Ne consegue che per identificare i terreni dalleclassi 2 a 7 (sono escluse le classi 1,8 e 9) è sufficiente calcolare l’indice deltipo di terreno Ic con la seguente relazione:

e verificare la classe di appartenenza.


INDAGINI IN SITO: le prove CPTRobertson e Wride (1998)

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Stima della densità relativa, DrL’avanzamento del penetrometro statico in terreni sabbiosi avviene generalmente incondizioni drenate, ed è quindi possibile interpretare i risultati in termini di tensioni efficaci.Per la stima dei parametri geotecnici in terreni sabbiosi si utilizza comunemente la densitàrelativa. Le correlazioni fra resistenza penetrometrica e densità relativa dei terreni sabbiosisono state studiate con prove di laboratorio in camera di calibrazione. Quest’ultima èun’apparecchiatura molto costosa e sofisticata che consiste in una cella triassiale di grandidimensioni, in cui è possibile eseguire prove geotecniche in sito di vario tipo, con strumentiin vera grandezza e in condizioni al contorno controllate.Una delle correlazioni più note e utilizzate è quella di Jamiolkowski et al. (1985), valida persabbie silicee, non cementate, NC, :

nella cui rappresentazione grafica è evidenziata l’influenza della compressibilità che puòcondurre ad un errore di +/- 12% sulla stima di Dr



Jamiolkowski et al. (1985)

Un’altra correlazione più generale è quella di Baldi et al (1986):

in cui C0, C1 e C2 sono costanti, qc è la resistenza alla punta, σ’(espressa anch’essa in kPa) è la tensione efficace (verticale o media) alla profondità della misura.


INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Stima dell’angolo di resistenza al taglio di picco, φ’

Dopo aver stimato la densità relativa della Dr, l’angolo di resistenza al taglio dipicco può essere stimato con le correlazioni proposte da Schmertmann (1977)per differenti granulometrie (slide 59).

Una correlazione diretta tra qc, σ’v0,e φ’, ottenuta con prove in camera dicalibrazione, valida per sabbie quarzose non cementate è stata proposta daRobertson e Campanella (1983) ed è ben rappresentata dall’equazione:


INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Modulo di YoungPoiché la prova CPT misura la resistenza a rottura del terreno, le correlazioni perla stima della rigidezza del terreno dai risultati di tale tipo di prova hannonecessariamente carattere empirico.Una semplice correlazione fra la resistenza penetrometrica di punta, qc, ed ilmodulo di Young secante, drenato, per un livello di sforzo mobilitato pari al 25%di quello a rottura, valida per sabbie quarzose NC è stata proposta da Robertsone Campanella (1983):

Un’altra correlazione proposta per la stima del modulo di Young per unadeformazione di circa lo 0,1 %, in funzione dell’indice di terreno Ic e dellatensione verticale efficace per sabbie silicee non cementate è quella diRobertson (2010):


INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Modulo di taglioLa stima del modulo di taglio a bassi livelli di deformazione G0 delle sabbie e della velocità di propagazione delle onde di taglio Vs può essere fatta con le relazioni di Robertson et al. (1992):

Un’altra equazione proposta per la stima di G0 da prove CPT è stata proposta da Rix e Stoke (1992):


INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI A GRANA FINEL‘avanzamento del penetrometro statico in terreni a grana fine saturi avviene in condizioninon drenate.

Resistenza al taglio non drenata CuUna stima della resistenza al taglio non drenata, Cu, può essere eseguita con la seguenteequazione:

Il coefficiente NK ha valori compresi tra 5 e 21, cresce con l’indice di plasticità e vieneassunto di norma pari a 14 per penetrometro con punta elettrica e a 20 per penetrometromeccanico.

Pressione di consolidazione, σ’c, e grado di sovraconsolidazione, OCRLa stima della pressione di consolidazione, σ’c, e del grado di sovraconsolidazione, OCRpuò essere effettuata con le seguenti relazioni proposte da Mayne e Kemper (1988):


Modulo edometricoIl modulo edometrico, M, ovvero il modulo di deformazione in condizionidi espansione laterale impedita, può essere approssimativamente stimatocon la relazione di Robertson (2009):


INDAGINI IN SITO






Il piezocono è un penetrometro statico a punta elettrica dotato di unelemento poroso di ceramica fine o di acciaio, detto filtro, di normaposizionato alla base della punta conica, che permette di misurare eregistrare oltre ai parametri di resistenza, qc ed fs, anche la pressioneinterstiziale, u2, sia durante l’avanzamento che a penetrometro fermo.

La misura corretta della pressione u2 è condizionata dalla completasaturazione del filtro. La possibilità di misurare la pressione interstizialeha considerevolmente aumentato la capacità interpretativa della provanei terreni saturi sotto falda.

Infatti durante la penetrazione nei terreni sabbiosi la rottura avviene incondizioni drenate (u2=u0), mentre nei terreni a grana fine si generanodelle sovrappressioni interstiziali, Δu, e quindi viene misurata lapressione u2=u0+ Δu

INDAGINI IN SITO: le prove CPTU

Per l’interpretazione della prova occorre utilizzare la resistenza di puntacorretta, qt, che tiene conto della differenza tra l’area della punta, Ac, el’area della parte del cono che agisce direttamente sulla cella di carico, An.Il valore di qt è dato dall’equazione:

Il valore del rapporto delle aree, a, si determina sperimentalmente per ognipiezocono ed è in genere compreso tra 0,55 e 0,90.Si definisce rapporto delle pressioni interstiziali il parametro:

in cui σv0 rappresenta la tensione verticale totale presente in sito.


Per l’identificazionelitologica ed ilriconoscimentostratigrafico dai risultati diprove con piezocono puòessere utilizzato il graficodi Robertson (1990), nelquale i numeri dei campicorrispondono alledescrizioni fornite nellaslide 75.

Tutte le correlazioniproposte per la prova CPTvalgono anche per laprova CPTU, conl’avvertenza di sostituireqc con qt.


La misura della pressione interstiziale durante la penetrazionepermette anche un’interpretazione del fenomeno dellarottura in termini di tensioni efficaci e quindi stima deiparametri c’ e φ’anche per i terreni a grana fine.La correlazione proposta da Mayne (2006), per terreni a granafine NC o debolmente OC , valida per 20° ≤ φ’ ≤ 45° e per 0,1 ≤Bq ≤ 1,0 è la seguente:


Il piezocono permette l’esecuzione di prove di dissipazione equindi la stima delle caratteristiche di permeabilità e diconsolidazione del terreno. Infatti, se durante la penetrazionein un terreno a grana fine saturo e sotto falda, la punta vienearrestata ad una data profondità, si può registrare ladissipazione della sovrappressione interstiziale nel tempo.

La dissipazione ha inizio con l’arresto dell’infissione e laregistrazione nel tempo della pressione interstiziale u(t). Essainizia a decrescere dal valore u(i) verso il valore di equilibriocorrispondente alla pressione idrostatica u(0). Si indica con t50

il tempo corrispondente al 50% della dissipazione.


In funzione del t50 è possibile stimare il coefficiente di consolidazione e laconducibilità idraulica. In particolare per piezocono con filtro posizionato allabase (il più diffuso in Italia) il coefficiente di consolidazione orizzontale puòessere stimato con l’equazione:

La permeabilità viene ricavata utilizzando il grafico di Parez e Fauriel (1998) o con l’equazione:


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