Massimo Sacchetto SPG

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1 Massimo Sacchetto SPG

2 geremia , (m) Res.Punta (Kg/cmq) - qc/fs Res.Laterale (kg/cmq) qc: 1 cm = 10 Kg/cm2 fs: 1 cm = 0,25 Kg/cm2 qc/fs: 1 cm = 10 CLASSIFICAZIONE DI BEGEMANN per qc/fs Torbe e argille organiche Sabbie e limi Limi ed argille Sabbie e/o Ghiaie Indagine geognostica Generalizzando si può affermare che vi è un certo ambito di profondità a partire dalla superficie dove l esplicarsi dell attività umana (costruzioni, opere in sotterranea, estrazione di fluidi dal sottosuolo) richiede un affidabile parametrizzazione del sottosuolo, ai fini essenzialmente di: progettazione delle fondazioni di nuove opere o ripristino delle esistenti (ad esempio calcolo della capacità portante del terreno, valutazione dell interazione di terreno-struttura in termini di cedimenti) valutazione della fattibilità e rapporto costi/benefici delle opere di fondazione in genere valutazione e prevenzione di rischi ambientali ed idrogeologici in genere (ad esempio frane, alluvioni) valutazione dell impatto ambientale con riferimento particolare alla preservazione degli strati acquiferi - modellazione matematica del sottosuolo per la simulazione d effetti particolari, quali ad es. la subsidenza indotta dall estrazione dei fluidi dal sottosuolo o, più semplicemente, la simulazione dell interazione terreno struttura di opere particolari (ad es. ponti, grandi scavi e gallerie, ecc.) pianificazione mirata dello sfruttamento delle risorse del sottosuolo. ricerche idriche e petrolifere Lo studio di questi problemi é necessariamente preceduto dall indagine geognostica, finora eseguita con metodi tradizionali più o meno perfezionati, gran parte dei quali introdotti da decine d anni e tuttora di impiego comune: sondaggi a carotaggio continuo con eventuale prelievo ed esame di campioni indisturbati e prove in situ Prove penetrometriche (statiche o dinamiche) Perforazioni a distruzione di nucleo (generalmente per grandi profondità) accompagnate dalla registrazione dei parametri di perforazione

3 Affidabilità dei dati geotecnici La valutazione sulla affidabilità dei dati ottenuti da una indagine geognostica è, in generale, messa in relazione Allo scopo per cui l indagine è eseguita; Difficoltà intrinseche di ottenere dati affidabili all aumentare della profondità; Infatti l ottenimento di dati affidabili (sempre in relazione al problema da trattare) è a volte limitato dai costi (che aumentano più che proporzionalmente al volume di sottosuolo da indagare) e dal fatto che oltre una certa profondità (qualche decina di metri) vi sono molteplici fattori per i quali le normali metodologie di indagine non sono impiegabili (o portano a risultati non pienamente soddisfacenti)

4 Indagini geognostiche speciali Vi sono casi in cui è richiesta la conoscenza di vaste porzioni di sottosuolo, sia in termini di profondità che in termini di estensione. La conoscenza del terreno a profondità maggiori rispetto a quelle normalmente indagate (qualche decina di metri) potrebbe essere necessaria per esempio in caso di: Fondazioni di grandi opere (ponti, opere idrauliche, grandi strutture in generale) o di opere in sotterraneo Terreno di fondazione di grandi rilevati, specialmente in caso di terreni compressibili Conoscenza idrogeologica approfondita del sottosuolo (con studio degli acquiferi e degli aquitardi ) Studio in genere di fenomeni in larga scala Specialmente nel caso di indagini OFFSHORE è richiesta una conoscenza talvolta approfondita anche a grande profondità, con il vincolo di dover operare da pontoni o navi opportunamente attrezzate, per cui il fattore tempo diventa particolarmente cruciale. Infatti in tal caso è necessario operare in condizioni tali (in termini di logistica e di tempistica) per cui l impiego di metodologie o attrezzature standard diviene difficile se non addirittura impossibile. In questi casi vi è l esigenza di operare con attrezzature speciali (rispetto a quelle comunemente usate).

5 BREVE RIEPILOGO DEI METODI COMUNEMENTE IMPIEGATI PER L INDAGINE GEOGNOSTICA (a scopo geotecnico, ambientale, idrogeologico, geologico in genere) Tralasciando in questa sede la trattazione di altre metodologie (impiego della sismica, geoelettrica, tomografia, ecc) PROVE PENETROMETRICHE SONDAGGI A CAROTAGGIO CONTINUO con esecuzione di prove in situ, prelievo ed esame di campioni e posa di strumentazione. Perforazioni a distruzione di nucleo con o senza rilievo dei parametri di perforazione (diagrafia)

6 IL PENETROMETRO STATICO Nei terreni cosiddetti fini o meglio penetrabili (ovvero argille plastiche, limi, sabbie non cementate) uno strumento molto diffuso ed affidabile, anche per la ripetibilità intrinseca dei risultati è il PENETROMETRO STATICO. La più grande limitazione di tale strumento (oltre a quella di poter essere impiegato solamente in terreni fini) risiede nel fatto che non sono superabili comunemente profondità dell ordine di metri a partire dalla superficie, se non ricorrendo a costosi artifici. I costi dell indagine con il penetrometro statico sono decisamente minori rispetto ad altri tipi di indagine; l affidabilità, la rapidità e la grande ripetitività dei dati compensano in molti casi il fatto che i parametri significativi misurati durante la prova penetrometrica sono solo due (al massimo tre); d altro canto la diffusione da decenni di questa tecnologia ha permesso di ottenere valide correlazioni fra i parametri geotecnici e i dati penetrometrici, specialmente con strumentazioni dell ultima generazione (piezocono) , (m) Res.Punta (Kg/cmq) - qc/fs Res.Laterale (kg/cmq) esempio di grafico di prova CPT con Punta meccanica qc: 1 cm = 10 Kg/cm2 fs: 1 cm = 0,25 Kg/cm2 qc/fs: 1 cm = 10 CLASSIFICAZIONE DI BEGEMANN per qc/fs Torbe e argille organiche Sabbie e limi Limi ed argille Sabbie e/o Ghiaie

7 Il dispositivo di spinta è il PENETROMETRO, di cui sono disponibili molti modelli, con un vasto range di prestazioni e dimensioni adatte a molte applicazioni E essenzialmente un sistema di spinta a velocità costante (indipendente dallo sforzo richiesto) composto da uno o due pistoni generalmente idraulici azionati da un circuito oleodinamico speciale appositamente studiato per tale tipo di operazioni (velocità costante d infissione, avanzamento controllato, sollevamento rapido, sincronizzazione con il cambio dell asta, ecc.). Dato che l infissione di una batteria di aste di piccolo diametro (circa 3.6 cm) richiede comunque una spinta notevole, anche in funzione della profondità ed in considerazione del fatto che un penetrometro con buone doti di spinta assicura la costanza della velocità indipendentemente dalla resistenza del terreno, la spinta non potrebbe essere mai inferiore a kn (5-10 tonnellate) con adeguata capacità di contrasto assicurata dallo stesso peso del penetrometro (tipo zavorrato ) o da eliche di contrasto infisse nel terreno. I moderni penetrometri sono comunemente dotati di capacità di spinta anche di kn. Al termine della batteria di aste viene infissa Penetrometro zavorrato Hyson Van der Berg da 250 kn (25 tonnellate) nel terreno la punta penetrometrica, che può essere essenzialmente di 3 tipi: punta meccanica, punta elettrica e piezocono. Penetrometro autoancorante Pagani da 150 kn (15 tonnellate)

8 PUNTE PENETROMETRICHE CPT La punta meccanica è il modello meno recente e consiste di una parte terminale (punta vera e propria) di forma conica di area equivalente di 10 cm2 che riceve la spinta da una batteria di astine concentriche alle aste principali, di un manicotto disposto sopra la punta e dotato di movimento di scorrimento alto-basso separato dalla punta, di un sistema di misura della resistenza alla penetrazione interposto generalmente fra la testa di spinta e l estremità delle aste. la prova penetrometrica statica è una prova a rottura in quanto rileva le resistenze necessarie all infissione della punta entro il terreno I parametri ottenibili sono molti e relativamente affidabili proprio grazie alla notevole diffusione da molti anni di questa prova e le conseguenti possibilità di taratura La prova meccanica soffre di evidenti limitazioni quali: scarsa precisione del sistema di misura dovuto anche alla presenza di parti in movimento dall imprecisione intrinseca dei sistemi di misura tutt oggi ancora diffusamente impiegati (manometri, di incerta taratura) e dal fatto che l effettiva misura si riferisce ad un tratto di 8 su 20 cm. La prova punta elettrica CPTE o con piezocono (CPTU) sono l'evoluzione della prova penetrometrica statica con punta meccanica (CPT). CPTU I valori di resistenza del terreno vengono rilevati con degli estensimetri posti direttamente all'interno della punta che, con deformazioni micrometriche dei componenti della punta (cono e manicotto), producono dei segnali elettrici proporzionali alle variazioni di resistenza del terreno I segnali elettrici (analogici) vengono digitalizzati inviati direttamente in superficie dove è presente (oltre al circuito di sincronizzazione della profondità) una apposita centralina con funzioni di memorizzazione, stampante, salvataggio dati su dischetto ed eventuale trasmissione a PC.

9 Encoder per la sincronizzazione della profondità Centralina e Stampante con dispositivo di Memorizzazione (data logger) floppy disk- SCHEMA GENERALE DEL FUNZIONAMENTO DI CPTE e CPTU Punta elettrica o piezocono

10 VANTAGGI DI CPTE e CPTU I vantaggi rispetto alla prova statica con punta meccanica CPT sono in sintesi: - Precisione e linearità della lettura - Rilievo dei valori ogni 2 cm (o meno) invece dei 20 cm della prova CPT - Piezocono CPTU: Rilievo dei valori di sovrapressione U durante l'infissione. L'infissione della punta produce una variazione della pressione neutrale (U) inversamente proporzionale alla permeabilità. Tale rilievo in fase di avanzamento permette di ottenere una classificazione del terreno molto più accurata rispetto ad altre prove. Interrompendo l'infissione in strati argillosi e graficando l'andamento della sovrapressione in funzione del tempo si ottiene la cosiddetta "curva di dissipazione" della pressione, il cui esame dà utili indicazioni sui parametri di compressibilità e di permeabilità dei terreni coesivi (argille, limi). In terreni granulari, permeabili, la prova di dissipazione è di breve durata in quanto dopo pochi minuti il valore di U si stabilizza. A pressione stabilizzata il valore rilevato rappresenta la pressione neutrale in quel particolare strato; in pratica con le prove CPTU è possibile rilevare la "situazione idraulica" del sottosuolo in termini di pressioni negli strati permeabili. 1, Esempio di Grafico di Prova di dissipazione 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 t (s)

11 SONDAGGI A CAROTAGGIO CONTINUO Il sistema convenzionale per l esecuzione di sondaggi a carotaggio continuo consiste nell infissione (a spinta e rotazione) di un carotiere (semplice o doppio) per una lunghezza variabile. La spinta e la rotazione vengono impresse da aste di piccolo diametro; il recupero del carotiere, al termine della manovra di carotaggio, avviene con le aste stesse, così come il posizionamento del carotiere a fondo foro prima della manovra di carotaggio. Il tratto precedentemente carotato, dopo l estrazione del carotiere, viene rivestito con tubazione di diametro interno maggiore di quello del carotiere. Il metodo convenzionale quindi consiste in una continua alternanza di manovre di carotaggio e manovre di rivestimento, come schematizzato nella figura seguente: Foto di carote

12 SISTEMA DI RECUPERO WIRE-LINE Il sistema di recupero a fune per l esecuzione di sondaggi a carotaggio continuo consiste nell impiegare il carotiere dopo averlo reso solidale alla colonna di rivestimento (che, in questo caso, di fatto sostituisce le aste di perforazione). Spinta e rotazione vengono impresse quindi dallo stesso rivestimento. Il sistema pertanto è costituito essenzialmente da : Aste di perforazione (o colonna di rivestimento) entro le quali, nella parte bassa terminale, è ricavata una sede per il carotiere o l utensile di perforazione in genere. Carotiere o utensile di perforazione in genere: scorre all interno delle aste di perforazione e possiede un sistema di aggancio che lo rende solidale alle aste, sia in termini di rotazione che di spinta; nella figura seguente sono evidenziati i particolari di un sistema con quattro agganci: Sistemi di aggancio Pescatore (utensile di recupero ) a campana : (overshot)

13 nell intercapedine fra la parete esterna del carotiere e la parete interna delle aste scorre il fluido di circolazione, che ha il compito di lubrificare il foro ed asportare i detriti di perforazione. Il fluido viene recuperato e decantato in superficie prima di essere rimesso in circolo. Le operazioni di perforazione wire line sono essenzialmente le seguenti (riferite al carotaggio): La sonda applica rotazione e spinta (variabile a seconda del tipo di terreno) alla batteria di aste (o rivestimento ), entro la quale è posizionato il carotiere (la cui conformazione dipende dal tipo di terreno); generalmente vi è circolazione di acqua entro la batteria di aste che fuoriesce dalla parte terminale generalmente senza interferire con l interno del carotiere in quanto questo fuoriesce dalle aste e l acqua scorre all esterno. Una volta eseguito il carotaggio per il tratto desiderato la testa di rotazione della sonda si sposta e viene calato dentro la batteria di aste il pescatore (o overshot ) che aggancia il carotiere e lo recupera. La carota viene estratta dal carotiere, che viene pulito e preparato per l operazione successiva eventualmente sostituendone la parte terminale per una migliore qualità di carotaggio. Il carotiere viene calato entro la batteria di aste tramite il pescatore e una volta arrivato in sede automaticamente si aggancia alla batteria di aste ed è pronto per una nuova manovra di carotaggio; viene aggiunta un asta e si riprende la perforazione.

14 Pro e contro del sistema di recupero a fune wire-line I vantaggi del sistema di recupero a fune rispetto al metodo tradizionale, qualora correttamente impiegato, sono: qualità migliore del carotaggio (ossia con effetti di disturbo più limitiati se confrontati con i metodi tradizionali) e (generalmente) maggior percentuale di recupero. maggior rapidità di esecuzione oltre una certa quota, il vantaggio cresce più che proporzionalmente con la profondità è richiesto minor sforzo alla perforatrice: infatti il rivestimento è costantemente in rotazione e lubrificato dal fluido; con il sistema tradizionale l infissione del rivestimento è discontinua e generalmente senza recupero di fluido. intercambiabilità tra diversi tipi di utensile, sempre con recupero a fune e di eseguire anche manovre di recupero dopo brevi tratti di perforazione con conseguente aumento dell accuratezza e senza aggravi per quanto riguarda i tempi complessivi di esecuzione. Gli svantaggi del sistema wire-line rispetto al metodo convenzionale sono: maggiore complessità d uso e necessità di grande esperienza da parte dell operatore. maggior impegno nella installazione della sonda e preparazione dell impianto di ricircolo dei fanghi. gestione dei fanghi di perforazione (preparazione, iniezione, dosaggio, ricircolo, smaltimento a fine lavori) maggior costo complessivo della perforatrice per la presenza di pompa fanghi adeguata e argano speciale e soprattutto maggior costo dei carotieri e relativi accessori Complessivamente quindi, salvo poche eccezioni, il sistema wire-line è applicato limitatamente a sondaggi di una certa profondità (il limite inferiore di convenienza può essere considerato a circa 50 metri), in certi tipi di terreno, se il tipo di lavoro lo richiede e soprattutto se la Ditta esecutrice è già dotata di impianti adeguati e personale esperto.

15 DIAGRAFIA DEI PARAMETRI DI PERFORAZIONE : MWD (monitor while drilling) Deriva dall applicazione di metodi largamente impiegati da sempre nel settore delle perforazioni petrolifere; è definita in molti modi, a seconda della Ditta costruttrice, internazionalmente è conosciuta come MWD (monitor while drilling). La diagrafia dei parametri di perforazione viene trattata più diffusamente negli articoli presentati nell ambito del presente workshop. Ad una perforatrice vengono applicati dei sensori di pressione nel circuito idraulico, sensori di profondità, misuratori di volume, ecc; nel caso dell applicazione in oggetto (CPTWD) i segnali dei sensori vengono opportunamente condizionati ed amplificati ed entrano in un data-logger (che è sincronizzato con un rilevatore di profondità), dove vengono memorizzati stampati in tempo reale durante la perforazione. Le grandezze misurate possono essere tutte quelle in gioco durante la perforazione, ma comunemente sono : - Pressione di spinta - Pressione di coppia - Pressione del fluido di circolazione - Numero di giri - Velocità di avanzamento - Volume del fluido iniettato coppia Data logger Amplificatore di segnale per i sensori applicati alla sonda Velocità di avanzamento Pressione di spinta Pressione del fluido

16 CPTwd Il sistema CPTwd rappresenta una integrazione fra piezocono, sistema wire-line e diagrafia dei parametri di perforazione

17 Piezocono MEMOCONE tm Nel sistema CPTWD è stato impiegato nella versione sperimentale un piezocono memocone della svedese ENVI. In termini di caratteristiche costruttive (dimensioni, sensibilità, isteresi, linearità) il memocone della Envi rispetta gli standard in vigore. Nella versione standard è un sistema che permette il rilievo di Qc, Fs, U, deviazione (res.di punta, laterale, sovrapressione e deviazione della batteria di aste, con doppio inclinometro) ogni 2 cm di infissione (e/o in funzione del tempo) A differenza di altre attrezzature simili possiede la capacità di memorizzare al suo interno i dati sopra elencati, in una apposita RAM che può contenere fino a 150 m di test. Durante l infissione vengono generati due files di dati: uno dal microprocessore interno al memocone e uno dal data-logger (GEOPRINTER) che è collegata al penetrometro o sonda. Dopo il recupero il memocone viene connesso al GEOPRINTER e i dati contenuti all interno vengono scaricati; un apposito software nel Geoprinter permette la sincronizzazione fra dati memorizzati in funzione del tempo (nel memocone) e quelli in funzione della profondità (nel Geoprinter) ottenendo un normale file-dati (Qc, Fs, U, dev) in funzione della profondità. Nella versione speciale CPTWD è stato aggiunto un pressostato per il rilievo della sovrapressione neutra in due punti differenti del piezocono e un sensore di rotazione, per poter determinare se il piezocono è soggetto a rotazione durante la perforazione. Inoltre il fondo scala della U è stato variato in modo da portare la massima profondità raggiungibile a m.

18 SCHEMA GENERALE DEL CPTwd (fuori scala) Il sistema consiste essenzialmente in: Colonna di rivestimento (o aste di perforazione)-8-: è la medesima impiegata in caso di sondaggio a carotaggio continuo; per il prototipo il diametro esterno è stato di 127 mm, che permette comunque di prelevare carote Ø 86 mm e campioni indisturbati Ø 88.9 mm (standard); la parte terminale inferiore (14) della colonna è dotata di corona al widia standard. Sistema di aggancio del carotiere alla colonna (2,3): consiste in quattro clampe inserite nel carotiere sagomate in modo tale da inserirsi (una volta sganciate dal pescatore -1-) entro una scanalatura presente all interno della colonna, ad una distanza pari alla lunghezza del carotiere ospitato entro la colonna. Le clampe hanno una determinata forma e sono montate nel carotiere con un sistema di molle che permette l aggancio alla colonna una volta che il carotiere va in sede. Carotiere (7): in questo caso la definizione è impropria in quanto non viene impiegato per operazioni di carotaggio ma è sostanzialmente un tubo normalmente impiegabile per sondaggi in ghiaia modificato in modo da ospitare all interno la punta penetrometrica, il sistema di sicurezza, ecc. E un carotiere cosiddetto a testa fissa in quanto (a differenza di analogo sistema a testa rotante) ruota solidalmente con la colonna di rivestimento, cosicchè la parte terminale disgrega il terreno. Normalmente viene impiegato per carotaggi in terreni sciolti grossolani (ghiaie). Nella parte terminale in basso è presente una corona tagliante sagomata a gradini (16) con delle fessure attraverso le quali viene dirottato parte del fluido di perforazione. La corona (che ruota solidalmente con la colonna) ha il compito di accompagnare l avanzamento della punta e di farle da guida ; infatti nella parte interna è presente un anello di ottone per evitare l attrito fra la parte interna della corona e la parte esterna della stessa punta. Sistema di sicurezza (safety device) (6,9,10,11): all interno del carotiere il piezocono è montato in un dispositivo che permette alla punta di rientrare entro il carotiere qualora la resistenza sia superiore alla massima sopportabile. Il sistema di sicurezza è essenzialmente un pistone idraulico che viene estruso riempiendo la camera del pistone con acqua emulsionata ad olio idraulico pressurizzato tramite apposita pompetta a mano.

19 Pescatore (overshot) Carotiere cptwd corona CPTwd Tricono (utensile per perforazione a distruzione di nucleo)

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21 Ulteriori dettagli del sistema Parte superiore dei carotieri con i sistemi di aggancio memocone

22 Foto delle sonda impiegate per l esecuzione delle prove CPTwd

23 Il corretto funzionamento del CPTwd richiede velocità di avanzamento comparabili a quella del penetrometro statico (2 cm/s). Per questo motivo è indispensabile avare un ottimo ricircolo del fluido

24 Foto del carotiere mentre viene immesso entro le aste di perforazione Carotiere interno Aste di perforazione Ø130 mm Tubo di guida Ø220 mm

25 Foto del flusso di acqua alla massima pressione Aste di perforazione (parte terminale inferiore) carotiere CPTwd Flusso alla massima pressione Tubo di guida

26 Foto della parte inferiore del CPTwd carotiere corona Aperture per la iniezione di acqua scarpa sagomata MEMOCONE

27 VISTA GENERALE DEL CPTwd disassemblato Tubo di guida Parte interna del carotiere disassemblata che contiene il safety device Pescatore (overshot) In rosso: scarpa tagliente del carotiere CPTwd tricono Parte esterna del carotiere CPTwd Pompetta manuale per la pressurizzazione del safety device

28 DETTAGLI DEL MEMOCONE E DELLA scarpa dettaglio Fori per l iniezione di acqua/fango MEMOCONE SCARPA ROTANTE Filtro a slot (memocone)

29 DETTAGLI DELLA PARTE INTERNA DEL CAROTIERE CPTwd Memocone holder e contenitore per le batterie Indicatore di carica del MEMOCONE

30 DETTAGLI DEL CAROTIERE CPTwd disassemblato Parete esterna del carotiere CPTwd (in rosso) Pescatore (overshot) parte superiore della parte interna del carotiere CPTwd che contiene i cuscinetti reggispinta

31 ESTRAZIONE DEL CPTwd dopo un tratto di prova CPTU carotiere cptwd aste

32 Esempio di applicazione : sito di Parma Impiego in sito caratterizzato da alternanza di terreni fini (argille, limi, sabbie) e strati ghiaiosi spesso con intercalazioni argillose di modesto spessore (qualche decimetro). L esecuzione di prove penetrometriche statiche sarebbe stata impedita dalla presenza frequente di livelli di ghiaie a differente profondità, per cui si sarebbe resa necessaria altrettante volte l esecuzione di prefori con una sonda a rotazione in corrispondenza ad ogni livello ghiaioso. Con il sistema CPTWD si è proceduto secondo le seguenti fasi: -esecuzione di prova con piezocono CPTU e contemporaneo impiego di diagrafia MWD fino al tetto della ghiaia -una volta rientrato il carotiere con il piezocono veniva recuperato e venivano salvati i dati relativi all ultimo tratto prima della ghiaia. -veniva calato un utensile disgregatore (no-coringdevice) (tricono) che permetteva l avanzamento a distruzione di nucleo, con contemporaneo rilievo dei parametri di perforazione ogni 2 cm. L avanzamento a distruzione di nucleo avveniva fino ad incontrare un altro strato penetrabile (argilla, limo o sabbia). Da numerosi riscontri effettuati durante le perforazioni è stato evidenziato che l operatore (se richiesto) può accorgersi del cambiamento in un tratto molto breve (10-20 cm), monitorando con attenzione i parametri di perforazione e i controlli della sonda; quando si incontrava ancora uno strato penetrabile veniva sostituito il tricono con il piezocono e riprendeva nuovamente il rilievo dei parametri CPTU. Le problematiche incontrate sono state le seguenti: il sistema era ancora in fase sperimentale, e quindi si è preferito recuperare frequentemente la punta penetrometrica per scaricare i dati e verificarli; ciò ha dilatato notevolmente i tempi. in alcuni tratti era difficoltoso tarare i parametri di perforazione per permettere un avanzamento a velocità costante e prossima a quella standard: infatti le perforatrici non hanno sistemi di spinta analoghi al penetrometro statico che possono mantenere costante velocità indipendentemente dalla spinta. In alcuni tratti si è avuta una rotazione del piezocono, dovuta probabilmente all intasamento dei fori di iniezione dell acqua con particelle di sabbia e limo. -un esame critico dei risultati mostra, rispetto ad una prova tradizionale una significativa riduzione della resistenza di attrito laterale nel manicotto, dovuta essenzialmente all azione del flusso di fluido iniettato.

33 Esempio di prova CPTwd Sito di Parma ghiaia ghiaia ghiaia Qc Fs Fr spinta coppia P fluido

34 ESEMPIO DI CPTwd Sito di Parma

35 Esempio n 2: sito di Piacenza l sistema è stato impiegato per l esecuzione di due prove profonde da pontone. In questi terreni l esecuzione della prova CPTWD è stata intervallata all esecuzione di alcuni tratti a carotaggio continuo e alcuni prelievi di campioni indisturbati, sempre impiegando lo stesso sistema base e senza variare le aste di perforazione: A differenza del lavoro precedentemente descritto sono state sfruttate maggiormente le potenzialità offerte dal sistema di recupero wire-line. Infattti, alternativamente alla prova con piezocono sono stati eseguiti tratti a carotaggio continuo e sono stati prelevati campioni indisturbati con campionatore a pareti sottili (osterberg o shelby), oltre ad alcuni tratti a distruzione di nucleo con sola diagrafia MWD Nell ambito di questo lavoro alcuni tratti di avanzamento con il metodo CPTWD sono stati fatti con una rilevazione dei dati ogni centimetro anziché ogni 2 cm,. Nella diagrafia MWD non è stato rilevato il parametro riguardante i giri di rotazione.

36 CPTwd : prova CPTU, carotaggio, campionamento, test in situ nello stesso foro Nello stesso foro è possibile eseguire (ovviamente a quote differenti) tratti a carotaggio continuo, a distruzione di nucleo con diagrafia, qualsiasi prova in situ (SPT, permeabilità, ecc) e prelievo di campioni. Nella foto seguente sono mostrate delle carote prelevate nello stesso foro dove sono stati eseguiti tratti con CPTwd e altri tratti a diagrafia per una profondità totale di 120 m p.c. Sito di Piacenza

37 RISULTATI DI UNA PROVA CPTwd ESEGUITA ALLA PROFONDITA di 120 m p.c. (solo dati CPTU) Sito di Piacenza

38 Sito di Piacenza STRATIGRAFIA dei tratti eseguiti a carotaggio

39 Sito di Piacenza Grafico CPTU Qc Fs U

40 Sito di Piacenza coppia Grafico MWD Pressione del fluido spinta Velocità di avanzamento

41 Esempio n 3: sito di Jesolo (Ve) A scopo di sperimentazione è stata eseguita un unica verticale CPTWD a profondità di 110 m p.c., in un sito prevalentemente sabbioso a partire da 50 m p.c. L esecuzione della prova è avvenuta in più riprese, impiegando attrezzature di perforazione (sonde, pompe) completamente diverse, anche allo scopo di valutare quale fosse il set-up ottimale. E stato riscontrata una forte dipendenza (in termini di resa) dalla attrezzatura impiegata, in particolare dal sistema di spinta e dalla pompa di iniezione del fluido. Inoltre si sono avuti problemi di difficoltà di penetrazione dovuti alla resistenza talora molto elevata della sabbia profonda (anche 50 Mpa) per cui il sistema di sicurezza safety device faceva spesso rientrare la punta dentro il carotiere. Per questo motivo alcuni tratti sono stati eseguiti a carotaggio continuo (anche allo scopo di verificare e tarare la prova statica) e a distruzione di nucleo con diagrafia. Nel tratto superficiale si sono rilevati dei valori anomali dei parametri penetrometrici, che lasciavano pensare ad una probabile rotazione della punta, solidale alle aste; per questo motivo è stato inserito nel modello attuale di punta CPTWD un sensore di rotazione. In corrispondenza a tratti molto addensati allo scopo di mantenere una velocità di avanzamento costante l operatore (in mancanza di un sistema di regolazione di spinta e di contrasto come nel penetrometro) aumentava a volte la pressione del fluido per aiutare l avanzamento. Quindi, al fine di valutare i potenziali effetti di tale pressione nei parametri penetrometrici, è stato inserito nel modello attuale un ulteriore pressostato, in posizione superiore al manicotto ( U3 secondo la recente nomenclatura).

42 Sopra è evidenziato il tratto di prova da -68 a -78 m p.c.: è evidente un intervallo (da -76 circa) in corrispondenza del quale è avvenuta probabilmente una rotazione della punta, dovuta all entrata di particelle che hanno bloccato la punta entro la scarpa, rendendola quindi solidale a quest ultima. Sito di Jesolo

43 Sito di Jesolo Grafico CPTU

44 COMMENTO AI RISULTATI I dati finora a disposizione sono relativamente pochi e non sono ancora stati eseguiti in modo sistematico dei test comparativi con altre metodologie di prova. VALIDAZIONE con:: Esecuzione di prove comparative CPTU e CPTWD a profondità raggiungibili dai normali penetrometri e in differenti tipi di terreno, al fine di stabilire delle corrette procedure di prova, in termini di lunghezza del cono, regolazione di spinta, pressione e volume del fluido iniettato. Stabilire la lunghezza ottimale del cono al di sotto delle aste di perforazione mediante test in differenti tipi di terreno anche a profondità elevate, analizzando le variazioni di U3 in funzione della pressione e volume del fluido iniettato alla base della batteria di aste. Esecuzione di prove CPTWD a differente velocità di penetrazione, compresa fra 1 e 2 cm/s ed esame critico dei risultati Ampia comparazione dei risultati penetrometrici con quelli ottenuti da altre metodologie di prova in sito (scissometrica, SPT, ecc) e in laboratorio (dove possibile), ad esempio confrontando i dati penetrometrici e quelli derivanti da prove di dissipazione della pressione neutra con i risultati di prove di laboratorio (triassiali, edometriche, ecc). Confrontare, dove fattibile ed economicamente possibile, i risultati penetrometrici ottenuti anche ad elevata profondità, ad esempio confrontando i dati CPTWD con quelli di altri test penetrometrici (wire line CPT downhole usato per indagini offshore) o prove penetrometriche eseguite con preforo o nel foro di sondaggio. Valutare, oltre che con test in sito anche con test in laboratorio (ad es. camera di calibrazione) e/o con l aiuto di modelli matematici, l influenza della rotazione e iniezione di fluido sui dati penetrometrici. Si avrebbe così modo di tarare in modo più scientifico la lunghezza del cono, pressione di iniezione, volume di fluido iniettato, giri di rotazione, ecc. Eseguire accurate tarature dei parametri di perforazione (MWD) in relazione all impianto di perforazione impiegato in modo da avere dati il più possibile oggettivi ed affidabili, per tentare di eseguire possibili correlazioni tra MWD e CPTU in terreni fini. Qualora il CPTWD venga impiegato in casi sufficientemente documentati e monitorati, è auspicabile verificare i dati ottenuti mediante back-analysis.

45 POSSIBILI CAMPI DI APPLICAZIONE Di seguito sono brevemente elencati possibili casi in cui l impiego del sistema CPTWD potrebbe essere competitivo rispetto all indagine di tipo tradizionale (qualora realizzabile): Siti con alternanza di terreni non penetrabili (ghiaie, sabbie cementate ed es.) e strati penetrabili d interesse geotecnico Presenza di terreno compatto superficiale e successivamente strati penetrabili Perforazioni geotecniche profonde (IN PARTICOLARE OFFSHORE) dove il rapporto costi/benefici del prelievo ed esame di carote e/o campioni di terreno sarebbe sfavorevole rispetto ai dati di CPTU+MWD (e quindi possibilità di ottenere a costo relativamente basso dei dati geotecnici immediatamente fruibili) Indisponibilità in cantiere del penetrometro statico e quindi possibilità teorica di eseguire prove penetrometriche statiche con qualsiasi sonda, quantomeno a profondità convenzionali (qualche decina di metri in relazione alle caratteristiche della sonda stessa) perforazioni profonde geotecniche ed ambientali: infatti al termine del carotaggio/cptwd è possibile porre in opera dei piezometri e/o strumentazione geotecnica in genere entro la batteria di aste. E comunque possibile eseguire qualsiasi prova eseguibile entro il foro di sondaggio (di permeabilità, scissometrica, SPT, ecc) e prelevare campioni. indagini profonde e presenza prevalente di litotipi sabbiosi in cui non è possibile prelevare campioni sufficientemente indisturbati e le normali prove in sito (ad es.spt) non risulterebbero economiche e/o affidabili. Conoscenza di strati profondi, in cui le normali tecniche sono poco convenienti e poco affidabili, in ogni modo mantenendo la possibilità di eseguire anche i test tradizionali e di prelevare campioni. Opportunità di avere una matrice di dati più completa, rispetto ad un normale penetrometro, che consenta altri tipi di interpretazione. In particolare ci si riferisce al fatto di avere (nello stesso strato e con scansione molto fitta: 1 o 2 cm) dati di: resistenza di punta, resistenza laterale, U2, U3, spinta, coppia, velocità di avanzamento, giri di rotazione, volume del fluido iniettato.

46 SVILUPPI FUTURI : applicazione alle prove scissometriche Il metodo CPTWD si presta ad ulteriori perfezionamenti e sviluppi futuri, sia in campo pratico che in campo teorico ed interpretativo. Infatti, con lo stesso principio generale adoperato per l adattamento di un dispositivo per l esecuzione di prove penetrometriche è possibile implementare altri tipi di prova con altri tipi di sensore, anche se l ottenimento di dati in continuo (ovvero in contemporanea con il procedere della perforazione) è prerogativa della prova penetrometrica statica. Tuttavia, con il principio di adattare ad un carotiere wire-line altre attrezzature, sono ora allo studio delle ulteriori applicazioni che, in modo complementare alle prove CPTU, riguardano: esecuzione di prova scissometrica, adattando uno scissometro MEMOVANE che funziona con lo stesso circuito di memoria del memocone ed inserendo dentro il carotiere wire-line il motore elettrico ora impiegato (in superficie) per la rotazione delle astine scissometriche. Una applicazione di questo genere è già stata realizzata da NGI (Norwegian geotechnical institute) per l esecuzione di prove scissometriche offshore. A differenza del CPTWD questo tipo di prova è discontinuo, ovvero non è possibile eseguire prove scissometriche in avanzamento durante la perforazione ma è necessario intervallare perforazione e test scissometrico.

47 SVILUPPI FUTURI : applicazione al permeametro/campionatore esecuzione di prove con permeametro e campionamento di fluidi: una applicazione wireline di un permeametro e campionatore di gas e fluidi per elevate profondità (D.G.S.: deep gas sampler) è stato implementato dallo NGI essenzialmente per la perforazione petrolifera, ma applicabile anche a profondità meno elevate, e basato sullo stesso principio operativo del BAT. Sostanzialmente si tratta di un contenitore depressurizzato collegato ad un elemento poroso (filtro). Quando il filtro è infisso nello strato in cui è necessario il campionamento o il rilievo di permeabilità il contenitore si stabilisce una comunicazione idraulica fra filtro e contenitore che quindi si riempie; un pressostato collegato a un microcomputer misura la variazione di pressione in funzione del tempo di riempimento, rilevando così indirettamente la permeabilità K. Sia il contenitore che il pressostato e il micro-computer sono contenuti in uno speciale carotiere wire-line simile a quello impiegato per il CPTWD. Ovviamente anche questa prova è discontinua, differentemente dal CPTWD. Sistema BAT per infissione con penetrometro permeametro fialetta filtro

48 SVILUPPI FUTURI : applicazione di altri sensori al cono E possibile implementare altri tipi di sensori nella punta penetrometrica, ad esempio sensori che rilevano i parametri chimici, come nella foto seguente, che evidenzia una punta ambientale (environmental cone) i cui sensori permettono di rilevare ph, redox, conducibilità, ossigeno disciolto e temperatura delle acque di falda. Environmental cone

49 SVILUPPI FUTURI nel campo interpretativo Dal punto di vista teorico ed interpretativo l impiego del CPTWD in terreni fini congiuntamente alla diagrafia dei parametri di perforazione MWD permetterà di correlare più efficacemente di quanto finora sia stato possibile le caratteristiche meccaniche di tali terreni ai dati rilevati con la diagrafia MWD in quanto si otterrà una matrice di dati sia penetrometrici che di dati MWD relativi allo stesso strato. Si potrà quindi tentare di associare all analisi dei dati penetrometrici quella dei dati della diagrafia e viceversa. Con l ausilio di opportuni modelli interpretativi e matematici si potranno forse estendere certe correlazioni trovate per i terreni fini anche a terreni grossolani o rocciosi, non penetrabili.

50 POSSIBILI MIGLIORAMENTI DEL SISTEMA I futuri miglioramenti del sistema CPTWD riguarderanno: Irrobustimento generale del sistema, per permettere l infissione in terreni fortemente compatti o addensati e raggiungere profondità più elevate. Nell attuale modello di cono CPTWD il fondo scala delle resistenza di punta è stato portato a 100 Mpa come pure i due pressostati sono in grado di rilevare pressioni relative a strati argillosi presenti fino a 300 m di profondità. Adozione di strumentazione più precisa e sofisticata per la diagrafia dei parametri di perforazione, in particolare misuratori di precisione di portata e pressione; le varie grandezze in gioco (pressione di coppia, ecc) saranno tarate in funzione dell impianto di perforazione impiegato. Nel corso dei test sperimentali è stato rilevato che il fattore più difficilmente controllabile è la spinta in relazione alla velocità di avanzamento. Ciò dipende dal fatto che una normale sonda (come quelle impiegate) differentemente da un penetrometro non ha un sistema automatico che mantiene una velocità pressochè costante indipendentemente dall entità della spinta richiesta per l avanzamento. Inoltre una comune sonda non possiede la capacità di reazione (contrasto) analogo a quello di un penetrometro. Per risolvere questo problema, una applicazione relativamente semplice sarà quella di abbinare alla sonda a rotazione un sistema di spinta di tipo penetrometrico, eventualmente ancorato al terreno (o al natante in caso di prove offshore) per offrire maggiori capacità di reazione. Ciò permetterà un maggior controllo dei parametri di perforazione, lasciando alla sonda solamente i compiti di trasmettere la rotazione alla batteria di aste e di iniettarvi attraverso il fluido. FPU unit: flow pressure unit per la misura di precisione di portata e pressione

51 POSSIBILI MIGLIORAMENTI DEL SISTEMA Nuovo modello di cono per CPTWD Sensore di rotazione e inclinometri Filtro per U3 Filtro per U2 Fs Qc

52 BIBLIOGRAFIA P.Colosimo: problemi di geologia tecnica volume 4 (96) T.Lunne, P.K.Robertson, J. Powell Cone penetration test in geotechnical practice (97) F.Cestari Prove geotecniche in sito (90) Lunne T., Powell J.:Piezocone Testing in Clay. Atti delle conferenze di geotecnica di Torino XVIII ciclo novembre 2001, Torino e atti del Convegno di Bali