SP modello geotecnico -...

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POLITECNICO DI TORINO

Dipartimento di Ingegneria

Strutturale e Geotecnica

Sebastiano Foti

Caratterizzazione Geotecnica

modello geotecnico del sito

Corso di aggiornamento professionale avanzato

Ingegneria Geotecnica

La Spezia, 14 ottobre 2011

POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti

Prove in sito

Sommario

• Caratterizzazione geotecnica dei siti

• Programmazione delle indagini

• Sondaggi

• Richiami sul comportamento meccanico dei terreni

• Prove in laboratorio

– sabbie

– argille

• Prove penetrometriche (SPT, CPT)

– Correlazioni con parametri geotecnici

– Accertamenti stratigrafici

• Altre prove in sito

– Scissometrica

– Pressiometrica

– Dilatometrica

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Prove in sito

NTC 08


Prove in sito

� Stratigrafia (anche di dettaglio)

� Caratteristiche macro e mega-strutturali

� Condizioni di falda

� Storia tensionale (OCR )

� Stato tensionale geostatico ( k0 )

� Caratteristiche meccaniche (resistenza, deformabilità)

� Caratteristiche idrauliche (permeabilità)

Modello geotecnico

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Prove in sito

� Indagini e prove in sito

� Prove di laboratorio

� Modelli in scala

� Analisi delle opere in vera grandezza

Indagini


Prove in sito

Programmazione delle indagini

• Raccolta informazioni sufficienti alla scelta della soluzione

• Evidenziare eventuali problemi in fase esecutiva

• Evidenziare potenziali rischi di natura geotecnica/geologica

• Fornire i valori (campo di variazione) dei parametri significativi

Scopo :

Occorre decidere :

• Numero e tipo di prove

• Ubicazione

• Profondità

Necessita di un adeguato modello geologico dell’area (NTC08: 6.2.1.)

Possibilità di variare il Programma di Indagini in corso d’opera

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Prove in sito

Programmazione delle indagini

• lmportanza del progetto

• Fase di sviluppo del progetto

• Complessità geologica del sito

Dipende da :

LIMITE ECONOMICO !

Attenta analisi dei risultati (in corso d’opera)

EsperienzaGrandi economie


Prove in sito

Caratterizzazione Geotecnica

Strutture ordinarie: almeno 3 ÷ 4 sondaggi agli spigoli dell’area

Numero delle verticali

Aree estese: almeno 1 verticale ogni 500÷600 m2

Aree nastriformi: 1 verticale ogni 50÷300 m lungo l’asse, con allineamenti trasversali

(eventuale infittimento delle verticali con prove CPT)

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Prove in sito

Scelta del tipo di opera o d’intervento

e programmazione delle indagini geotecniche

(Lancellotta, 2004)

Studio della

risposta

sismica locale

e analisi

dinamiche

1D o 2D


Prove in sito

Prove in sito

• Accertamenti stratigraficiDiretti (visione del materiale)

Indiretti (misura di proprietà indice)

• Piezometri

• Prove penetrometriche

•(SPT e CPT / CPTU)

• Prova scissometrica

• Prove pressiometriche

• Prove dilatometriche

• Prove sismiche (geofisiche) : Down- Cross-Hole

(Mayneetal., 2002)

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Prove in sito

Vantaggi:

� Rapide ed economiche

� Descrizione continua (o quasi)

� Volume di terreno maggiore

� Terreno “indisturbato”

� Terreni a grana grossa

(uniche possibili)

Svantaggi:

� Incertezze sulle condizioni al contorno

� Incertezze sulle condizioni di drenaggio

� Stato tensionale e deformativo con forti gradienti

Indagini in sito

Correlazioni empiriche con:

� Prove di Laboratorio

� Back Analysis

� Camera di Calibrazione.


Prove in sito

Accertamenti stratigrafici

DirettiDirettiIndirettiIndiretti

• Scavi ispezionabili ( Pozzetti )

• Cunicoli e trincee

• Perforazioni di sondaggio

• Campionamento

• Prove Geofisiche

• Prove penetrometriche

• Prove dilatometriche

Eseguire SEMPRE un accertamento stratigrafico diretto !

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Prove in sito

Perforazioni di sondaggio

Trivellazione

Percussione

Rotazione

non consentono una ricostruzione dettagliata della stratigrafia

Carotiere semplice


Prove in sito

Perforazioni di sondaggio

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Prove in sito

Prova penetrometrica statica (CPT)


Prove in sito


Punta meccanica

(Begemann)

Punta elettrica

2 aste coassiali

prova discontinua

misura forze in testa

infissione continua

misura forze locale

possibilità di aggiungere altri

sensori

(Lancellotta)

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Prove in sito


Cone Penetration Test (CPT)

Infissione per spinta di una punta conica con velocità v = 20 mm/s

Non occorre la perforazione di sondaggio

Si misura: CQC

CC

A

Qq = Resistenza alla punta

SQS

SS

A

Qf = Resistenza sul manicotto

laterale

c

S

q

fFR = Friction Ratio

Cq è molto più affidabile e ripetibile della Sf


Prove in sito

Ripetibilità di SPT e CPT

(Jefferies and Been, 2006)

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Prove in sito


Profilo stratigrafico

Argille: MPa 30÷≈Cq

Sabbie: MPa 302÷≈Cq

Nei terreni a grana fine:

rottura non drenata 0>∆u

dipende da φ′Cq

(Lancellotta)


Prove in sito


Soil Behavior Type (Robertson et al., 1986; Robertson & Campanella, 1988)

1 – Sensitive fine grained 5 – Clayey silt to silty clay 9 – sand

2 – Organic material 6 – Sandy silt to silty sand 10 – Gravelly sand to sand

3 – Clay 7 – Silty sand to sandy silt 11 – Very stiff fine grained*

4 – Silty clay to clay 8 – Sand to silty sand 12 – Sand to clayey sand*

*Note: Overconsolidated or cemented

Profilo stratigrafico

Robertson e Campanella (1988)

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Prove in sito


Taratura del profilo di qc con dei sondaggi a carotaggio continuo !!!

Vantaggioso per infittire le colonne stratigrafiche in terreni con grande variabilità


Prove in sito


• Per caratterizzare correttamente i depositi teneri richiedere una punta con

doppia cella di carico con fondo scala 0,5 MPa e 50 MPa

Cq dipende da fenomeni di scala per individuare:

cm 2520 86min ÷≈÷≈ puntaDh

• strato sabbia densa in argilla tenera

• strato argilla in sabbia densa

cm 40 1510min ≈÷≈ puntaDh

• Sensibilità nel rilievo “stratigrafico”:

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Prove in sito

Piezocono (CPTU)

Aggiunta di un sensore per la misura della pressione dell’acqua nei pori (U)

Incremento delle potenzialità dello strumento

Maggiori difficoltà esecutive

(saturazione dei circuiti)

(Lancellotta)


Prove in sito

Piezocono (CPTU)

Profilo stratigrafico di grande dettaglio !

La U non risente dei

fenomeni di scala !

“misura” del livello

piezometrico

(Lancellotta)

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Prove in sito


Per indagini profonde richiedere

una punta con inclinometro

(Lancellotta)


Prove in sito

σσσσI, σσσσII, σσσσIIIσσσσI, σσσσII, σσσσIII

Principio delle tensioni efficaci Terzaghi (1936)

Lo stato di tensione in un punto può essere definito tramite la conoscenza delle

tre tensioni principali totali:

Se lo spazio intergranulare è riempito con acqua avente pressione u,

le tensioni totali possono scomporsi in due parti: una di esse, chiamata “pressione

neutra” u, agisce sull'acqua e sui grani in ogni direzione con uguale intensità

Le differenze: u1I −−−−σσσσ====σσσσ u1I −−−−σσσσ====σσσσ ’’ uIIII −−−−σσσσ====σσσσ uIIII −−−−σσσσ====σσσσ ’’ uIIIIII −−−−σσσσ====σσσσ uIIIIII −−−−σσσσ====σσσσ ’’

rappresentano le tensioni, in eccesso rispetto alla pressione neutra, che hanno

sede nella fase solida. Queste frazioni delle tensioni totali sono definite

“tensioni efficaci”

Tutti gli effetti misurabili prodotti da un cambio dello stato di sforzo, quali

compressione, distorsione e variazione della resistenza al taglio,

sono dovuti esclusivamente ad un cambio delle tensioni efficaci

Di conseguenza ogni indagine di stabilità di un mezzo saturo richiede la

conoscenza sia delle tensioni totali sia delle pressioni neutre

Problema fondamentale della meccanica delle terre:

ripartizione dello stato di sforzo tra la fase solida e la fase liquida

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Prove in sito

Piezometri

La conoscenza dei livelli di falda è uno degli aspetti più importanti della

caratterizzazione geotecnica

Non è una operazione di routine e richiede :

Troppo spesso ne viene sottovalutata l’importanza !

esperienza e scrupolosa cura dei dettagli

Il comportamento dei terreni dipende dalle

tensioni efficaci

(Lambe, 1997)


Prove in sito

Campionamento

Campionatore Osterberg

(Lancellotta)

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Prove in sito

Vantaggi:

� Condizioni al contorno ben definite

� Controllo delle condizioni di drenaggio

� Percorsi tensionali noti e/o controllabili

� Stato tensionale e deformativo uniformi

� Caratterizzazione del materiale

Svantaggi:

� Campioni indisturbati

� Terreni incoerenti

� Disturbo

� Volume ridotto dei campioni

� Valori puntuali

� Costi e tempi

Prove di laboratorio


Prove in sito

Determinazione sperimentale

dei parametri di resistenza al taglio

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Prove in sito

σσσσ’σσσσ’

ττττττττtan ϕϕϕϕ’tan ϕϕϕϕ’

11

σσσσ1σσσσ1’’σσσσ3σσσσ3’’

Criterio di rottura di Mohr-Coulomb 'tan' ϕϕϕϕσσσσ====ττττ 'tan' ϕϕϕϕσσσσ====ττττ

'sin1

'sin1'3

'

1 ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ++++

σσσσ====σσσσ'sin1

'sin1'3

'

1 ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ++++

σσσσ====σσσσCriterio espresso in termini

di tensioni principali


Prove in sito

Prove TXC (sabbie)

(Lancellotta, 2004)

3

1

'

'

σσ

( ) [ ]%2 rzv εεε +−=−

[ ]%zε

Influenza dell’indice

dei vuoti sul

comportamento

meccanico di una sabbia

N.B. Nella figura la

tensione di confinamento

è costanteCC

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Prove in sito

Prove TXC (sabbie)

(Lancellotta, 2004)

3

1

'

'

σσ

( ) [ ]%2 rzv εεε +−=−

[ ]%zε

Influenza della tensione di

confinamento sul

comportamento meccanico

di una sabbia (a parità di

indice dei vuoti)


Prove in sito

AA BB

ττττττττ


Curvatura dell’inviluppodi rottura

Curvatura dell’inviluppodi rottura

CC

Inviluppo di rottura curvilineo

(Lancellotta, 2004)

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Prove in sito

sabbia di Hokksundsabbia di Hokksund


ττττττττ

00 300300 600600 900900 12001200

300300

600600

900900

Inviluppo di rottura curvilineo

(Lancellotta, 2004)


Prove in sito

o'

cv 12mDI' <<<<====ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ o'

cv 12mDI' <<<<====ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ

(((( )))) 1pln10DDI '

fR −−−−−−−−==== (((( )))) 1pln10DDI '

fR −−−−−−−−====

(Bolton, 1986)

m=3 (assialsimmetria)

m=5 (condizioni di deformazione piana)

p’f espressa in kPa

Il valore di picco dell’angolo

di resistenza al taglio

non è una proprietà

del materiale ma un parametro

dipendente dalle condizioni di stato

Resistenza al taglio delle sabbie

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Prove in sito

Stima dell’angolo di resistenza al taglio

• Stima dello stato di addensamento in sito (Densità Relativa DR )

è un parametro del terreno (mineralogia, granulometria, forma grani)

può essere valutato da prove su materiale ricostituito

• Valutazione del livello tensionale medio a rottura fp '

• Stima dell’angolo di resistenza al taglio a volume costanteCV'φ

per terreni quarzosi °÷°≅ 3430'CVφ

′+′+′=

3' 321 σσσp


Prove in sito

Stima dell’angolo di resistenza al taglio

LIMf qp10

1' ≅

0

3

2' Vfp σ ′≅

Bolton (1984) ( )[ ]1ln10 −′−⋅⋅+′=′ fRCV pDmφφ

[ ]kPap f'°≤′−′ 12CVφφ DR [decimali] m3 assialsimmetrico

5 deformazione piana

(Lancellotta)

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Prove in sito

Prova penetrometrica dinamica (SPT)

Prova penetrometrica dinamicaStandard Penetration Test (SPT)

Standard Cone Penetration Test (SCPT)


Prove in sito


(Mayne et al., 2002)

N1

N2

N3NSPT=N2+ N3

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Prove in sito


Risultato della prova: NSPT = N2 + N3

Se N1 o N2 o N3 = 50 Rifiuto: R (avanzamento in cm per 50 colpi)

n° colpi / 30 cm, n° colpi / piede

Profondità

1 – 2 – 3

Profondità

1 – R (12 )


Prove in sito


Prova economica, molto diffusa

Prova standardizzata da molti decenni (grande mole di risultati per correlazioni)

Prelievo di un campione disturbato

Prova impulsiva (poco attendibile per terreni a grana fine)

Risultati discontinui con la profondità

Influenza di ∆u

Numerose correlazioni empiriche di progetto

Camera di calibrazione

Sabbie limose sotto falda: se NSPT > 15 Nc = 15 + 0,5 (NSPT – 15 )

Punta conica (depositi ghiaiosi): Nc = 1,25 NSPT

Correzioni:

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Prove in sito


Stima della Densità Relativa

Terzaghi – Peck (1948)

0 - 4

4 - 10

10 - 30

30 - 50

> 50

molto sciolta

sciolta

media

densa

molto densa

NSPT DR

Gibbs - Holtz (1957)camera di calibrazione

Influenza della profondità


Prove in sito

Stima dellaStima della DDRR dada qqcc

((LancellottaLancellotta, 1983), 1983)

Prove CPT

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Prove in sito

Istruzioni Norme Tecniche NTC 2008


Prove in sito

Scelta dei valori caratteristici

Nei materiali con comportamento rammollente, la scelta dei parametri deve tener conto del fenomeno di

Rottura Progressiva

(Lancellotta)

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Prove in sito

Argille tenere


Prove in sito

Criterio di rottura nel piano ( p’ , q )

3

2p rz σσσσ++++σσσσ====

3

2p rz σσσσ++++σσσσ====

rzq σσσσ−−−−σσσσ==== rzq σσσσ−−−−σσσσ====

Parametri tensionali Parametri tensionali

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Prove in sito

Esempio di prova drenata sull'argilla ricostituita di Pisa Esempio di prova drenata sull'argilla ricostituita di Pisa

(Lancellotta, 2004)

q

[ ]%vε

[ ]%sε

q

'p


Prove in sito

Percorsi drenati e curva di Percorsi drenati e curva di

stato critico dell'argilla stato critico dell'argilla

ricostituita di Pisa ricostituita di Pisa

(Lancellotta, 2004)

q

'p

'p

ev +=1

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Prove in sito

Argille consistenti


Prove in sito

Argilla di Todi: Prova Argilla di Todi: Prova

triassiale non consolidata triassiale non consolidata

non drenata con misura della non drenata con misura della

pressione interstiziale pressione interstiziale

((BurlandBurland, 1990) , 1990)

Argille consistenti

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Prove in sito

Argille consistenti


Prove in sito


ττττττττ

BB

AA

CCDD

Interpretazione convenzionale

''tan' c+= ϕστ

Argille consistenti

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Prove in sito

Resistenza residua

Argilla di Santa Barbara

(Calabresi e Manfredini, 1973)


Prove in sito

Resistenza residua

Argilla di Santa Barbara

(Calabresi e Manfredini, 1973)

Valore caratteristico per riattivazione frane

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Prove in sito

ϕϕϕϕ = 0°ϕϕϕϕ = 0°

σσσσ3σσσσ3 σσσσ1σσσσ1 σσσσσσσσ

ττττττττ

susu

Prove UU

Inviluppo di rottura in

termini di tensioni totali

Analisi di stabilità in condizioni non drenate:

resistenza al taglio non drenata su


Prove in sito

(Lancellotta, 2004)

'p

qq

u∆

Sε

Esempio di prova

non drenata

(argilla di Pisa)

Prove CIU (consolidazione isotropa – rottura non drenata)

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Prove in sito

qq

p,p’p,p’p1p1’’ p2p2’’ p3p3’’

qr====2Suqr====2Su

∆∆∆∆u∆∆∆∆u

1

MCSL

Prove CIU (consolidazione isotropa – rottura non drenata)

La resistenza al taglio non drenata

non è una proprietà

del materiale ma un parametro dipendente dalle

condizioni di stato


Prove in sito

Prova Scissometrica (FV)

Field Vane Test ( FV )

Semplice, affidabile, ripetibile

Misura della resistenza al taglio iniziale sU nelle argille di bassa e media consistenza

(Lancellotta)

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Prove in sito


Si infigge lo strumento nel terreno a velocità costante (≤ 20 mm/s)

( )3

max

7

6

D

MFVsU π

=2=D

H

maxM

Tempo di attesa dopo l’infissione: 2÷5 min

si applica una coppia M torcente

velocità di rotazione costante: 6° ÷ 12° / min

Dopo la rottura si eseguono 10 rapide rotazioni dello strumento, dopodichè si ripete la prova e si misura la sU

del terreno rimaneggiato

Sensitività: ( )( )riman

max

U

Ut

s

sS =(Lancellotta)


Prove in sito


Per effetto dell’anisotropia e della velocità di rottura, la resistenza media lungo una

potenziale superficie di rottura può essere diversa da quella misurata con lo

scissometro

Bjerrum (1972)

(Lancellotta)

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Prove in sito

Prove Pressiometriche

Pressiometro Menard Pressiometro autoperforante

Diametro sonda: 44 / 58 mm (a) Pafsor (b) Camkometer (80 mm)(Lancellotta)


Prove in sito


Misura della resistenza al taglio non drenata sU nelle argille

V

Vsp ULar

δδσ ln⋅+==

Lp tensione limite

(Lancellotta)

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Prove in sito


La resistenza sU non è un parametro del terreno

dipende dallo stato iniziale e dal percorso tensionale

(Lancellotta)


Prove in sito

Dipendenza della su dal percorso di carico

(Jamiolkowski et al., 1985)

Resistenza operativaResistenza operativa

((KoutsoftasKoutsoftas e e LaddLadd, 1985), 1985)

( ) 8.0

'03.022.0 OCR

s

vo

u ⋅±=σ

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Prove in sito

∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1

BB

∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1 CC

∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1

AA

Percorsi di carico lungo una superficie di scivolamento


Prove in sito

Prova Penetrometrica Statica (CPT)

Stima della resistenza al taglio non drenata sU nelle argille

la resistenza alla punta viene assimilata alla portata alla punta di un paloCq

0VCUC �sq σ+⋅=C

VCU

�

qs 0σ−

=

è la tensione verticale totale agente alla quota della punta0Vσ

C� da correlazioni empiriche con altre prove:

( )33% 14 ±=C�Argille bassa e media consistenza (Vane Test)

Argille OC non fessurate (TX-C) ( )5 17 ±=C�

Baligh (1980)

Kjekstad (1978)

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Prove in sito

Spinta a riposo

Misura della tensione orizzontale efficace 0hσ ′

0

00

v

hkσσ′′

=Coefficiente di spinta a riposo

(Lancellotta)



Prove in sito


Rapporto tra la tensione radiale iniziale misurata con pressiometroautoperforante e la stima della tensione orizzontale

0rσ0hσ

(Lancellotta)

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Prove in sito

Prove Dilatometriche (DMT)

Dilatometro piatto di Marchetti (1975)

(Lancellotta)


Prove in sito


Infissione a v=20 mm/s

Arresto ogni 200 mm

Prova dilatometrica: p0 , p1

p0 inizio deformazione

p1 spostamento s=1,1 mm

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Prove in sito


Indice

0

00

V

D

upK

σ ′−

=

Valutazione dello stato tensionale iniziale (k0)

6.0

46.0

0 −

=

K

DKKβ

Kβ dipende dal tipo di terreno

(Lancellotta)


Prove in sito

Applicabilità delle prove in sito

(Mayne et al, 2002)

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Prove in sito

Per approfondimenti

• AGI (1977) – Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle

indagini geotecniche

• Cestari F. (2005) – Prove Geotecniche in sito – Ediz. Geo-Graph, 3° ed.

• Jamiolkowski M., Ladd C.C., Germaine J.T., Lancellotta R. (1985) – New

developments in field and laboratory testing of soils – Theme Lecture, XI

ICSMFE, San Francisco

• Lancellotta R. (2004) – Geotecnica – Zanichelli (2° e 3° ediz)

• Marchetti S., Monaco P., Totani G., Calabrese M. (2001) – Il Dilatometro Piatto

(DMT) nelle indagini geotecniche. Rapporto del Comitato Tecnico TC16 della

ISSMGE – Atti delle Conferenze di Geotecnica di Torino, XVIII ciclo

• Mayne P.W., Christopher B.R., DeJong J. (2001) - Manual on Subsurface

Investigations - National Highway Institute, Publication No. FHWA NHI-01-031,

Federal Highway Administration, Washington, DC


Prove in sito

Un ringraziamento particolare ai proff. Renato Lancellotta e Daniele

Costanzo, che hanno messo a disposizione parte del materiale didattico

Grazie per l’attenzione !

In uscita in libreria:

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