Analisi geostatistiche dei dati sperimentali per la definizione del Modello geotecnico del sottosuolo.

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, EDILE ED AMBIENTALE CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA TESI DI LAUREA IN INDAGINI E MONITORAGGIO GEOTECNICO Analisi geostatistiche dei dati sperimentali per la definizione del Modello geotecnico del sottosuolo. Relatore: Candidato: Ch.mo Prof. Ing. Massimo Ramondini Mottola Daniela Correlatore: Matr. M56/275 Ing. Serena Tessitore ANNO ACCADEMICO 2015/2016 1

2 Il presente lavoro di tesi tratta della caratterizzazione geotecnica del sottosuolo dell Impianto di Depurazione di Napoli Est attraverso metodi geotecnici e geostatistici. L impianto di depurazione si sviluppa nella zona industriale Orientale della città al limite con il Comune di Volla. L accesso, ubicato al di sotto dell Asse di collegamento Napoli-Ponticelli, confina in direzione NORD con Via Galeoncello. Nella zona a SUD l impianto è confinante per un primo tratto con via Galeone mentre per un secondo tratto è adiacente al tratto Autostradale Napoli Roma. In direzione OVEST, confina con lo stabilimento della F.I.A.T e quello dell ex Raffineria della Mobil Oil. Ad EST invece con via Provinciale delle Brecce. L area prevalentemente pianeggiante su cui sorge è posta ad una quota del piano campagna compresa tra i 9.50 ed i m.s.l.m. Figura 1. Planimetria generale dell Impianto di depurazione Napoli EST e rete dei collettori 2

3 La Regione Campania ha previsto per l impianto un ampliamento delle funzionalità con la modifica del processo depurativo che passerà da chimico-fisico a biologico. Tale modifica richiede la realizzazione di ulteriori opere in aree all interno del perimetro dell impianto stesso. Dette aree sono in parte libere da manufatti e in parte occupate da parti di opere realizzate e successivamente abbandonate a seguito delle varianti apportate al progetto originario. A tal fine è stata richiesta la caratterizzazione geotecnica dell area. La caratterizzazione geotecnica è fondamentale in quanto è stato dimostrato che su 2000 casi di problemi costruttivi, l 80% è dovuto ad un errata caratterizzazione geotecnica. In una progettazione ex-novo, le indagini serviranno per lo studio di fattibilità, ovvero per stabilire se una determinata opera è realizzabile o meno in quel dato sito. In presenza di opere esistenti, le indagini sono necessarie per conoscere il sottosuolo ma, sono necessarie anche in presenza dei dissesti per risalire, attraverso una back analysis, alle cause del dissesto. Nel corso degli anni sull area sono state eseguite una serie di indagini: 1) Indagini in sito A) Campagna di indagine Maggio 1976: - n 5 Sondaggi meccanici a rotazione continua di lunghezza variabile L=30-35 m; - n 3 Sondaggi meccanici a carotaggio continuo di lunghezza variabile L=22-33m con esecuzione di prove SPT. - n 6 prove CPT B) Campagna di indagine Febbraio- Marzo 1983: - n 12 Sondaggi meccanici a carotaggio continuo di lunghezza variabile L=22-26 m con esecuzione di prove SPT con prelievo di campioni indisturbati nei materiali a grana fina per l esecuzione di prove di laboratorio con indicazione dell indice R.Q.D. C) Campagna di indagine Aprile-Maggio 1984: - n 30 Sondaggi meccanici a rotazione continua, di lunghezza variabile L= m; - n 16 prove CPT. 2) Indagini di laboratorio eseguite su campioni indisturbati: A) Campagna di indagine Aprile-Maggio 1984: - n 27 analisi granulometriche e determinazione delle caratteristiche di plasticità. - n 14 prove edometriche. Per quanto riguarda la posizione del pelo libero della falda, esso è stato rilevato nel corso delle tre campagne suddette in corrispondenza di una serie di piezometri installati su alcune verticali di sondaggio. I valori medi rilevati sono i seguenti: 1) Campagna di indagine Maggio 1976: - Profondità media dal p.c 3.00 m. 2) Campagna di indagine Febbraio-Marzo 1983: - Profondità media dal p.c 2.50 m. 3) Campagna di indagine Aprile-Maggio 1984: - Profondità media dal p.c 1.50 m. 3

4 La campagna di indagine integrativa, è stata definita considerando le informazioni disponibili sulle verticali già indagate nelle campagne precedenti. Le indagini, della stessa tipologia di quelle precedenti, sono state estese alle aree che saranno interessate dalle nuove opere. La campagna prevista è stata elaborata per rispondere all esigenza di caratterizzare geotecnicamente le porzioni di sottosuolo dell impianto che verranno interessate dalle nuove opere nel rispetto di quanto previsto dalle NTC A tal fine sono state previste: Indagini in sito: n 7 sondaggi meccanici a rotazione continua, della lunghezza pari a 30 m, con prove pressiometriche eseguite per ogni sondaggio ogni 5 m a partire da 5m fino a 20m. Prelievo di 2 campioni indisturbati per sondaggio nei materiali a grana fina per l esecuzione di prove di laboratorio, di cui uno primo prelevato alla profondità di 6 m dal p.c., ed il secondo alla profondità di 12m dal p.c.. I fori saranno successivamente condizionati per l esecuzione di prove down-hole. n 3 sondaggi meccanici a rotazione continua, della lunghezza pari a 50 m, con esecuzione di prove SPT (con attrezzatura standard) ogni 5 m al di sopra del tufo, condizionati per prove Down Hole; n 2 sondaggi a distruzione, della lunghezza pari a 50 m, per istallazione di tre celle piezometriche tipo Casagrande a 5, 20 e 40m; n 18 prove penetrometriche CPTE, della lunghezza di 30 m; n 9 Stendimenti Sismico del tipo M.A.S.W. con lunghezza circa pari a 100m ciascuno; Indagine in laboratorio: n 10 analisi granulometriche e determinazione delle caratteristiche di plasticità. n 10 prove edometriche; n 10 prove triassiali consolidate non drenate. Attraverso i dati sopra elencati, è stato creato un database delle campagne di indagini eseguite dal 1976 al 2015 per la ricostruzione di un modello geotecnico del sottosuolo. L insieme dei dati stratigrafici e dei rilievi eseguiti in sito nelle diverse campagne di indagini ha consentito un affidabile ricostruzione della struttura stratigrafica del sottosuolo e della sua caratterizzazione fisico-meccanica. Il processo di omogeneizzazione dei risultati delle diverse campagne, relative ad un arco temporale di circa 30 anni, ha presentato alcune difficoltà legate alle mutate configurazioni planoaltimetriche dell area dell impianto e, probabilmente, agli interventi eseguiti nel corso dei lavori di realizzazione dello stesso, che hanno richiesto movimentazione di terreno per spessori dell ordine di 3-4 m. Ciò ha comportato una variazione dell assetto stratigrafico ed un incremento delle resistenze nei primi metri di sottosuolo, probabilmente dovuto anche a modifiche significative del regime idraulico, caratterizzato da un progressivo abbassamento del livello di falda da quote prossime al piano campagna fino ai valori attuali. 4

5 Alla luce di tali considerazioni, sono stati elaborati i risultati della nuova campagna di indagine e di quella del In una prima fase, lo studio è stato riferito all intera area dell impianto, elaborando in maniera unitaria i dati disponibili, pervenendo alla caratterizzazione fisico-meccanica degli strati geotecnici individuati che, mediamente, risulta poco variabile sull intera area di interesse. In una seconda fase, si è fatta una rielaborazione in riferimento alle 7 zone funzionali che verranno interessate dalle nuove opere. La ricostruzione stratigrafica ha individuato, dall alto verso il basso, i seguenti litotipi tecnici: - Sabbie superiori, di origine alluvionale con granulometria sabbio-limosa, rimaneggiate e frammiste nei primi metri a riporti antropici (S); - Sabbie marine, di recente deposizione con componenti limose e ghiaiose, mediamente addensate (SM); - Pomici, con granulometria limo-sabbiosa (P); - Torbe, frammiste a cineriti limo-sabbiose (TO); - Cineriti intermedie, con granulometria limo-sabbiosa, con numerose pomici e lapilli di diametro fino al centimetro (C); - Tufo giallo, di colore grigiastro (T); - Alternanza di cineriti, sabbie e pomici, con granulometria da limo-sabbiosa a sabbie limose debolmente ghiaiose, cineriti medio-fini a granulometria limo-sabbiosa mediamente addensate (CP1); - Cineriti profonde, con granulometria limo-sabbiosa, con minute pomici di diametro millimetrico (CP2). Ai fini della caratterizzazione degli ultimi due strati, le caratteristiche meccaniche sono risultate poco variabili e, per tale motivo, si è proceduto ad accorparli in un unico strato (CP). La caratterizzazione fisico-meccanica del sottosuolo dell impianto è stata effettuata sulla base delle informazioni ricavate da tutte le indagini eseguite nell area. La superficie topografica è pressocchè orizzontale con una lieve pendenza da Est verso Ovest, con quote comprese tra i 6 e i 16 m.sl.m. Poiché i litotipi mostrano prevalentemente una granulometria sabbio-limosa, le indagini di laboratorio sono in numero limitato, in quanto risulta difficoltoso il prelievo di campioni di buona qualità, pertanto, mentre per quanto riguarda la caratterizzazione fisica il numero di determinazioni disponibili permette una stima dei parametri sufficientemente accurata, per la determinazione delle caratteristiche meccaniche si è fatto riferimento soprattutto ai risultati delle indagini in sito. I terreni più superficiali, (S), possono essere classificati come sabbie da limose a con limo debolmente ghiaiose con un peso dell unità di volume compreso tra i 17 e i 20 kn/m 3, e un peso secco dell ordine dei 14 kn/m 3. La porosità varia tra il 39% e il 52%, a cui corrisponde un indice dei pori compreso tra tra 0.8 e 0.9 mentre, per 5

6 quanto riguarda i valori di contenuto d acqua e del grado di saturazione, sono stati misurati rispettivamente valori compresi tra 0.20 e 0.75 e, 85% e 100%. Le sottostanti sabbie marine, (SM), possono essere classificate come sabbie debolmente ghiaiose e limose con un peso dell unità di volume compreso tra i 16 e i 19 kn/m 3, e un peso secco compreso tra gli 11.5 e i 14 kn/m 3. La porosità varia tra il 45% e il 60%, a cui corrisponde un indice dei pori compreso tra 0.7 e 1.2 mentre, per quanto riguarda i valori di contenuto d acqua e grado di saturazione, si hanno rispettivamente valori compresi tra 0.20 e 0.60 e 70% e 100%. Per quanto riguarda le pomici, (P), queste, dal punto di vista granulometrico sono classificabili come limi con sabbie, con un peso dell unità di volume poco variabile, compreso tra i 19 e i 20 kn/m 3, un peso secco compreso tra i 14.5 e i 16.5 kn/m 3. La porosità varia tra il 33% e il 50%, a cui corrisponde un indice dei pori compreso tra 0.6 e 0.8 mentre, per quanto riguarda il contenuto di acqua si hanno valori compresi tra 0.20 e 0.30 e, per il grado di saturazione, 85% e 100%. Le torbe, (TO), hanno granulometria estremamente variabile, da limi con sabbie a sabbie e ghiaie, con un peso dell unità di volume dell ordine dei 15 kn/m 3 e, un peso secco compreso tra 60% e 70%, a cui corrisponde un indice dei pori compreso tra 6.5 e 9.5 kn/m 3. La porosità varia tra il 60% e il 70%, a cui corrisponde un indice dei pori compreso tra 1.5 e 2.5 mentre, per quanto riguarda i valori di contenuto di acqua e grado di saturazione, si hanno rispettivamente, e 97%. Le cineriti, (C), hanno una granulometria da limi con sabbie a sabbie e limi debolmente ghiaiose, con un peso dell unità di volume compreso tra i 17 e i 18 kn/m 3 e, un peso secco dell ordine di 12.5 kn/m 3. La porosità varia tra il 40% e il 50%, a cui corrisponde un indice dei pori prossimo all unità mentre, il contenuto di acqua varia tra 0.25 e 0.40n e il grado di saturazione tra il 96% e il 100%. Infine, per quanto riguarda i terreni presenti al di sotto del banco di tufo, (CP), esse possono essere classificate come limi con sabbie con un peso dell unità di volume compreso tra i 16 e i 17 kn/m 3. La porosità varia tra il 43% e il 58% con un valore di contenuto d acqua pari compreso tra 0.20 e 0.50 e un valore di grado di saturazione compreso tra 70% e 100%. I litotipi presenti sull area dell impianto sono costituiti prevalentemente da terreni a grana grossa e sostanzialmente privi di coesione. Per la valutazione della resistenza a taglio, si è fatto riferimento sia a prove di sito che di laboratorio e, precisamente: - Prove penetrometriche elettriche (CPTE); - Prove penetrometriche dinamiche standard (SPT); - Provepressiometriche (PSM); - Prove di compressione triassiale consolidate-non drenate (CIU); - Prove di taglio diretto (TD). Con riferimento alle prove CPTE, utilizzando le correlazioni empiriche disponibili in letteratura, è stato possibile stimare i valori della densità relativa e dell angolo di resistenza al taglio, φ. 6

7 Al fine di procedere alla stima dell angolo di attrito degli strati investigati attraverso l applicazione delle correlazioni con i valori della resistenza alla punta, i profili CPTE disponibili sono stati elaborati in maniera unitaria per ciascun litotipo, mediando per tratti di un metro i valori delle resistenze q c registrate alla punta. Tale elaborazione, depurando gli effetti di varianza dovuti alla presenza di elementi eterogenei, evidenzia come la resistenza alla punta assuma valori mediamente prossimi ai 6 MPa nel terreno S più superficiale, con una varianza, espressa dal rapporto v tra deviazione standard e valore medio, variabile tra 0.2 e 0.7 con la profondità. Per le sabbie marine, SM, i valori della resistenza alla punta sono prossimi ai 17 MPa, con una varianza dell ordine di 0.3 per tutto lo spessore del banco. In termini assoluti, i valori di q c misurati per il banco appaiono al quanto elevati ma, ciò, potrebbe essere giustificato dai fenomeni di consolidazione dovuti alla riduzione della quota piezometrica registratasi nel tempo nell area in esame. Le pomici, P, mostrano valori della resistenza alla punta variabili tra 5 e 10 MPa, con un minimo verso i 10 m, con varianza compresa tra 0.4 e 0.6 per tutto lo spessore del banco. Per le torbe, TO, la resistenza alla punta si riduce fino a valori dell ordine di 4 MPa, con una varianza decrescente con la profondità da 0.6 a 0.3. Le cineriti, C, sono caratterizzate da una resistenza alla punta dell ordine dei 10 MPa, con un minimo di 7 MPa tra le profondità di m e, varianza ridotta che passa da 0.1 a 0.9 ad 11 m fino a raggiungere valori prossimi a 0.5 tra i 12 e i 16 m. Non sono disponibili misure per i litotipi presenti al di sotto del banco di tufo in quanto le prove hanno raggiunto quasi sempre il rifiuto in corrispondenza del tetto del banco tufaceo. Attese le differenze stratigrafiche e meccaniche evidenziate nell area dell impianto, è apparso utile rielaborare i risultati specializzandoli per ciascuna delle sette subzone indicate, caratterizzate da un diverso numero di verticali indagate e di dati disponibili, in modo da avere una caratterizzazione geotecnica più puntuale. 7

8 Figura 2: Planimetria impianto con divisione in zone Una volta definito il modello geotecnico di sottosuolo, al fine di affinare le analisi, è stata fatta un analisi geostatistica dei dati che ha permesso di ricavare un modello geotecnico di sottosuolo interpolato e di valutare la variabilità dei parametri meccanici all interno dei singoli strati. La geostatistica permette infatti di ottenere un analisi oggettiva, tralasciando l interpretazione di chi elabora i risultati in quanto le analisi statistiche non possono essere forzate. Sulla base dei risultati ottenuti statisticamente, si è riproposto il modello tridimensionale del sottosuolo mettendo in evidenza i vantaggi delle analisi geostatiche in presenza di un database ricco di dati. 8