Prove Geotecniche in situ Esecuzione, acquisizione dati e interpretazione numerica Corso di Formazione A.P.C. Jesi, 20 Gennaio 2012

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1 Prove Geotecniche in situ Esecuzione, acquisizione dati e interpretazione numerica Corso di Formazione A.P.C. Jesi, Gennaio 1 ORDINE geologi MARCHE Caratterizzazione geotecnica del sottosuolo mediante prove con piezocono con particolare riferimento ai sedimenti limo-sabbiosi e limo-argillosi Laura Tonni DICAM, Università di Bologna laura.tonni@unibo.it Contenuti Prove CPTU Interpretazione delle CPTU per la caratterizzazione dei terreni in particolare intermedi Le prove CPTU nei terreni limosi del sottosuolo Validità e limiti lagunare degli approcci di analisi disponibili 1

2 Testi di Riferimento Testi di Riferimento Inoltre Atti ISC Atti ISC 3 Atti CPT 1

3 Alcuni siti internet di interesse Prof. Mayne s website Prof. Robertson s website Prof. Campanella s website The Liquefaction Site (and CPT site): Link page to manufacturers, suppliers, and CPT services: Listing of available videos on CPT and other in-situ tests: Ruolo delle prove penetrometriche statiche Profilo stratigrafico Deformabilità Parametri di resistenza al taglio Caratteristiche di consolidazione (terreni coesivi) Storia tensionale del deposito 3

4 Applicabilità delle prove penetrometriche (Da Lunne, Robertson & Powell, 1997) Tipo di Terreno Prova Roccia Roccia Tenera Ghiaia Sabbia Limo Argilla Torba Meccanica - C C A A A A Elettrica - C C A A A A Piezocono - C - A A A A Piezocono Sismico - C - A A A A A= elevato; B = medio; C = basso Applicabilità delle prove penetrometriche (Da Lunne, Robertson & Powell, 1997) Parame tri Prova Tipo di terreno Profilo u φ' c u m v c v k G σ h OCR Meccanica B A/B - C C C - - C C C Elettrica B A - C B C - - B B/C B Piezocono Piezocono Sismico A A A B B B A/B B B B/C B A A A B A/B B A/B B A B B A= elevato; B = medio; C = basso 4

5 La prova penetrometrica statica (CPT, CPTU, SCPTU) Consiste nell infiggere nel terreno una punta conica a velocità di avanzamento costante, misurando q c ed f s. Nel piezocono la punta è munita di settore poroso e trasduttore per la misura della pressione nei pori u. f s u Da Schnaid, 9 u 1 q c Misure e correzioni u 3 u 3 Pressione neutra u (u 1, u, u 3 ) u u 1 A n u u A c Resistenza alla punta corretta q t RAPPORTO DI FRIZIONE R f

6 Presentazione delle misure Sabbia Argilla Argilla Pressione neutra iniziale u Piezocono sismico L inserimento di un geofono sulla punta permette di misurare la velocità (v s ) delle onde sismiche. La perturbazione viene generata in superficie, sotto forma di onde di taglio. 6

7 Presentazione delle misure Definizione della stratigrafia Possibili andamenti di q c in differenti tipi di terreno da Schmertmann,

8 Definizione della stratigrafia Valori elevati di u argille, da tenere a mediamente consistenti; limi dal comportamento contraente Valori bassi o negativi di u argille sovraconsolidate molto consistenti; sabbie fini molto dense; sabbie limose; limi dilatanti Definizione della stratigrafia Il profilo stratigrafico viene ricostruito ricorrendo a Carte di Classificazione, indicatrici del comportamento meccanico del terreno (Soil Behaviour Type Charts). q t (MPa) Grana grossa Terreni intermedi Sabbie cement. 1 Grana fine, sovrac., molto consistenti 3: Argilla q t (MPa) Robertson, 1986 B q u u = q σ t v Terreni sensitivi : Terre organiche Rapporto di frizione R f (%) Parametro delle pressioni neutre B q 8

9 Definizione della stratigrafia È preferibile esprimere le carte di classificazione in termini dei parametri normalizzati rispetto alla tensione Una nota normalizzazione (Wroth, 1984): Parametro delle pressioni neutre B q Resistenza alla punta normalizzata Q t Rapporto di frizione normalizzato F r Definizione della stratigrafia 1 Qt = q t - σv σ'v 1 1 ϕ' 7 8 Grana Increasing grossa OCR, age cementation 6 Normally consolidated 4 8: Sabbie molto dense - argillose Terreni Intermedi Argille Grana fine molto consistenti Grana fine di 3 1 elevata : Terre sensitività organiche f s F r = 1 q t - σ v (%) 9 Increasing OCR, age 1 1 Qt = q t - σv σ'v u σ v 4 Increasing OCR u Increasing sensitivity B q = u - u q t - σ v q t 3 Robertson,

10 Definizione della stratigrafia Le più recenti SBT Charts (Robertson, 9) si basano su un criterio di normalizzazione ad esponente variabile, in relazione al tipo di terreno esaminato. Resistenza alla punta normalizzata Q tn Q tn qt σ = p a v p σ a v L esponente n è funzione dell indice di materiale I c (Soil Behaviour Type Index). n Q tn 7 I c = I c =. 6 I c =.6 I c = I c = 3.6 I [( 3,47 logq ) + ( log F + 1, ) ], c = tn r F r % Parametri geotecnici TERRENI COESIVI Resistenza al taglio non drenata, c u Modulo confinato, M Grado di sovraconsolidazione, OCR Modulo di elasticità trasversale, G Coefficiente di consolidazione, c h TERRENI INCOERENTI Densità relativa, D r Parametro di stato, ψ Angolo di resistenza al taglio, φ' Modulo di elasticità trasversale, G TERRENI LIMOSI Parziale drenaggio, U - V 1

11 Approcci interpretativi Interpretazione nei terreni a grana fine L avanzamento della punta nei terreni a grana fine è generalmente NON DRENATO. I metodi di interpretazione fanno riferimento a: Soluzioni teoriche basate su assunzioni semplificate: capacità portante (BCT) espansione delle cavità in un mezzo elastoplastico (CET) metodo dello strain-path (SPM) approcci numerici (FEM) u Correlazioni di tipo empirico 11

12 Interpretazione nei terreni a grana fine Resistenza al taglio non drenata, c u τ In lab. da prove TXUU... c u σ... o meglio TXCIU oppure TXCK U Dipende: Anisotropia Storia tensionale Velocità di deformazione Meccanismo di rottura Tutte le teorie conducono a una relazione del tipo: Fattore di capacità portante σ v σ h σ medio Interpretazione nei terreni a grana fine Resistenza al taglio non drenata, c u τ In lab. da prove TXUU... c u σ... o meglio TXCIU oppure TXCK U Dipende: Anisotropia Storia tensionale Velocità di deformazione Meccanismo di rottura Tutte le teorie conducono a una relazione del tipo: Fattore di capacità portante σ v σ h σ medio 1

13 Interpretazione nei terreni a grana fine Una nota correlazione empirica: N kt = 1 N kt dipende: Indice Plastico OCR Effetto scala Velocità di deformazione N kt I R = G/c u Aas et al., 1986 Intervallo dei valori empirici Test di riferimento per c u Per depositi su cui si ha poca esperienza, un approccio conservativo è quello di adottare N kt = 18 Interpretazione nei terreni a grana fine Meno frequenti sono le correlazioni empiriche: in termini di resistenza alla punta efficace: c u qt u = N ke in termini di sovrappressione interstiziale: c u = u N k u 13

14 Interpretazione nei terreni a grana fine Rapporto di sovraconsolidazione OCR q t (MPa) OCR (=σ vmax '/σ v ') descrive la storia tensionale di un deposito. Sabbia Powell et al. (1988) q t =, σ v Mayne (1991) k medio =.3 Corrisponde ad un argilla NC M 1,; Λ,7 Interpretazione nei terreni a grana fine Modulo di compressibilità confinato, M È il parametro di compressibilità che si ottiene dalla prova edometrica, M = 1/m v. Deformazione verticale, ε v (%) Tensione efficace, σ v (kpa) Coefficiente di compressibilità m v MODULO EDOMETRICO 1 M = m v Kulhawy & Mayne (199) M = ( σ ) 8, q t v 14

15 Interpretazione nei terreni a grana fine Rigidezza Le stime della rigidezza basate sui valori di q c -q t sono spesso poco affidabili. Il modulo di elasticità tangenziale G dipende: Indice dei vuoti Livello deformativo OCR Caratteristiche dei grani Livello tensionale Caratteristiche strutturali Interpretazione nei terreni a grana fine Rigidezza Le stime della rigidezza basate sui valori di q c -q t sono spesso poco affidabili. Il modulo di elasticità tangenziale G dipende: 1

16 Interpretazione nei terreni a grana fine Modulo di taglio a piccole deformazioni G.3 = 99. ( pa ).69 t 1.13 Mayne & Rix, 1993 Un approccio spesso utilizzato nella pratica ingegneristica è quello di correlare q t con un modulo di Young operativo, rappresentativo di un certo livello tensionale o deformativo. q e Modulo di Young non drenato E u = n s u Duncan & Buchignani, 1976 E u /c u PI<3 OCR Interpretazione nei terreni a grana fine Da una PROVA DI DISSIPAZIONE della pressione neutra si possono ottenere informazioni sulle caratteristiche di consolidazione del terreno. t (s) u [kpa]

17 Interpretazione nei terreni a grana fine L approccio interpretativo più comunemente usato è quello proposto da Houlsby & Teh (1991), che permette di determinare un coefficiente di consolidazione orizzontale c h. Il metodo considera l effetto della rigidezza del mezzo mediante l indice di rigidità I R (= G/s u ). c h T = * r t I R Interpretazione nei terreni a grana fine Un affidabile stima di c h richiede un appropriato valore di I R. 17

18 Interpretazione nei terreni a grana fine Robertson et al., 199 Interpretazione nei terreni a grana fine In tal caso la stima di c h può effettuarsi con l approccio proposto da Burns & Mayne (1998). 18

19 Interpretazione nei terreni a grana fine Interpretazione nei terreni a grana grossa L avanzamento della punta nei terreni a grana grossa è generalmente DRENATO. In sabbie fini molto dense o sabbie limose si possono generare sovrappressioni interstiziali negative per effetto della dilatanza. L interpretazione delle prove CPT in sabbia si basa essenzialmente su due approcci: Analisi basate sulla teoria della capacità portante e sulla teoria dell espansione della cavità Metodi basati sui risultati di sperimentazione in camera di calibrazione 19

20 Interpretazione nei terreni a grana grossa Resistenza al taglio drenata (φ ) Gli studi hanno mostrato la difficoltà di ottenere relazioni q c - φ semplici e generali. N q = q c /σ v Questo database può essere efficacemente descritto dalla relazione: Mayne, 6 Robertson e Campanella, 1983 tgφ Interpretazione nei terreni a grana grossa Per sabbie non cementate pulite, prevalentemente quarzose Kulhawy & Mayne, 199 Per sabbie silicee non cementate Robertson & Campanella, 1983 Un diverso approccio è quello che correla la resistenza alla punta alla densità relativa D r. Jamiolowski et al., 198 Houlsby, 1988

21 Interpretazione nei terreni a grana grossa Jamiolowski et al., 198 D r % ( q t - σ h )/σ h D r % Houlsby, 1988 q c /(σ v ). Interpretazione nei terreni a grana grossa Relazione fra q c, D r e σ v per la sabbia del Ticino, in condizioni NC e OC (Baldi et al., 1986) 1

22 Interpretazione nei terreni a grana grossa Dai valori di D r, unitamente ad un determinato livello tensionale, si può ricavare una stima dell angolo di resistenza al taglio di picco. Relazione fra D r - φ' - σ medio per sabbie uniformi silicee. (Kleven et al., 1986) Interpretazione nei terreni a grana grossa Caratteristiche di deformabilità Modulo confinato, M M = 4q c M = (q c M = 1 σ ' + ) σ ' v v + σ z σ ' v σ ' + σ z σ ' v v + σ z σ ' v, per Lunne & Christophersen 1983 q c, per 1 (MPa),per q < 1 MPa c < q c > MPa < MPa

23 Interpretazione nei terreni a grana grossa Caratteristiche di deformabilità Modulo di Young, E Diversi approcci proposti in letteratura permettono la stima di un valore di E operativo, in corrispondenza di un assegnato livello deformativo ε. Bellotti et al., 1989 Interpretazione nei terreni a grana grossa Caratteristiche di deformabilità Modulo di taglio alle piccolissime deformazioni, G In assenza di misure dirette di V s, possono utilizzarsi correlazioni del tipo: Schnaid et al., 4 3

24 Il sito campione di Treporti m TREPORTI TEST SITE VENEZIA Bocca di Malamocco L ampia campagna sperimentale svolta presso il Treporti Test Site (TTS) si inquadra all interno del progetto interuniversitario Bocca di Chioggia Il modello geotecnico del sottosuolo per la salvaguardia di Venezia e della sua laguna (Università di Padova, Bologna, L Aquila) Il sito campione di Treporti All interno dell area è stato realizzato un articolato programma di prove in sito e successivamente è stato costruito un rilevato sperimentale di grandi dimensioni continuamente monitorato mediante una sofisticata strumentazione. N m LOADING BANK 4

25 Programma delle CPTU a TTS N B max 34 min m A Prima della costruzione del rilevato Fase 1A: CPTU 1-7, CPT A&B Fase 1B: CPTU 11- Dopo la costruzione del rilevato (dalla sommità) Fase : CPTU 9 & 3 Dopo la rimozione del rilevato Fase 3: CPTU 34, 39 & 4 CPTU 34 min & 34 max Il sito campione di Treporti Precostruzione Postcostruzione Strumentazione di monitoraggio Posizione delle prove

26 Il sito campione di Treporti Proprietà fisiche e soil profile del sottosuolo di Treporti Le prove CPTU a Treporti Grading (%) 7 W.T. SM-SP Corrected Cone Resistance q t (MPa) Sleeve Friction f s (MPa) Pore Water Pressure u (MPa) SANDY UNIT Depth (m) ML CL SILTY UNIT SANDY and CLAYEY SILTS 6

27 Definizione della stratigrafia q t (MPa) u (MPa) Fr (%) Qt = q t - σv σ'v 1 1 ϕ' Normally consolidated Increasing sensitivity m m m Increasing OCR, age cementation 4 Increasing OCR, age f s F r = 1 (%) q t - σ v Qt = q t - σv σ'v σ v 7 3 u Depth [m] 4 Increasing OCR u Increasing sensitivity B q = u - u q t - σ v q t 3 1 Definizione della stratigrafia Resistenza alla punta q t (MPa) Pressione neutra u (MPa) Attrito laterale fs (MPa) SBT (F r,% - Q t ) SBT (B q - Q t ) Profondità z (m)

28 Definizione della stratigrafia 1 Drained Sands Carta di Schneider et al., 8 Q = qnet/σ'v Transitional Soils Silts Clays Sensitive Clays m m m u /σ' v Effetto del livello tensionale sulle misure Resistenza alla punta corretta q t (MPa) Resistenza alla punta normalizzata Q t 1 19 Resistenza alla punta normalizzata Q t,n 1 Resistenza alla punta normalizzata q t,1 (MPa) Pre- Costruzione Postcostruzione Profondità (m) Q t Q t,n q t,1 n c q t σ v qt σ v p a σ v p a σ v p a q t σ v Wroth, 1984 Robertson, 9 Moss et al., 7 8

29 Stima dei parametri di compressibilità Nella stima dei parametri di compressibilità un ruolo cruciale è stato svolto dalle misure di deformazione fornite dagli sliding deformeter. Spostamento locale (mm) q t (MPa) Depth (m) Spostamento locale (mm) q t (MPa) Depth (m) S S1 17 S Marzo 3 Aprile S1 Marzo 3 Aprile Stima dei parametri di compressibilità Dalle misure di spostamento registrate sotto il centro del rilevato sono stati ricavati i valori del modulo confinato M e del coefficiente di consolidazione secondaria c αε. Modulo Confinato M Spostamento (MPa) integrale (mm) Spostamento locale (mm) αε Depth (m) q t (MPa) S S3 Marzo 3 Aprile

30 Stima dei parametri di compressibilità Spostamento locale (mm) Spostamenti 3 nel tempo sotto il centro 4 del rilevato Tempo (giorni) c αε c αε Profondità (m) Coefficiente di consolidazione secondaria cαε c αε (da S3) Stima dei parametri di compressibilità I c 1 3 Spostamento Locale (mm) 4 Spostamento Integrale (mm) Previsioni del cedimento di consolidazione Profondità (m) Misure (strumento S3) Lunne & Christophersen Kulhawy & Mayne Senneset et al. M = 1.3*I c *(q t - σ v ) 3

31 Stima dei parametri di compressibilità I Spostamento Locale c (mm) Spostamento Integrale (mm) Modulo Confinato M (MPa) Profondità (m) Misure (strumento S3) Lunne & Christophersen Kulhawy & Mayne Senneset et al. M = 1.3*I c*(q t - σ v) Stima dei parametri di compressibilità Kulhawy & Mayne (99 M = ( σ ) 8, q t v Senneset et al M = q t M = 4q t - q t <, MPa, < q t < MPa M = M M M M = 4q c = (q c = 1 Lunne & Christophersen 1983 M σ ' v + ) (MPa) + σ z σ ' v q 1 < q q Site-specific correlation c c c < 1 MPa < MPa > MPa Tonni & Gottardi 11 = 1, 3 I c q t 31

32 Storia tensionale del deposito L interpretazione delle misure di spostamento fornite dagli sliding deformeters ha permesso di stimare il grado di sovraconsolidazione (OCR =σ p /σ v ) iniziale.. Profondità (m) OCR Deformazione verticale εv (%) OCR iniziale (da interpretazione S3) 9 m 1 m 14 m 18 m 19 m 1 m 3 m Tensione verticale efficace σ'v (kpa) Storia tensionale del deposito L OCR finale (a seguito della rimozione del rilevato) è stato determinato sulla base della storia tensionale imposta. Stime di OCR finale sono state dapprima ricavate da noti approcci reperibili in letteratura. Powell et al. (1988) Profondità (m) 1 1 OCR iniziale (da interpretazione S3) OCR post-rimozione OCR post-rimozione (PREVISIONE) (Powell et al., 1988) OCR k medio =.3 3

33 Storia tensionale del deposito Tonni & Gottardi (11) Profondità (m) 1 1 OCR iniziale (da interpretazione S3) OCR post-rimozione OCR post-rimozione (PREVISIONE) (Powell et al., 1988) OCR post-rimozione (PREVISIONE) (Tonni & Gottardi, 11) OCR Compressibilità in scarico Modulo Confinato M, in carico (MPa) M U, in scarico (MPa) M in carico (da S3) 1 1 MU in scarico (da S3) Profondità (m) Deformazione verticale (%) m 1 m 11 m 1 m 13 m 14 m 1 m 16 m 17 m 18 m 19 m Tensione verticale σ'v (kpa) 33

34 Compressibilità in scarico Modulo Confinato M, in carico (MPa) M U, in scarico (MPa) M in carico (da S3) 1 1 Previsione di M MU in scarico (da S3) Previsione di M U Tonni et al. (1) 4 6 Profondità (m) Coefficiente di consolidazione c h Test 11_D1 1_D1 1_D 14_D 14_D7 14_D8 14_D9 1_D3 Depth CPTU11_d1 (1.4 m) [m] 8 CPTU1_d1 (9. m) c h CPTU1_d (4.4 m) [m.9 1 /s] CPTU14_d (17. m) Test 1_D4 16_D3 16_D4 17_D 19_D _D3 9_D6 9_D8CPTU14_d7 (.6 m) Depth CPTU1_d4 (3. m) [m] CPTU17_d (11.4 m) c h CPTU19_d (9. m) [m /s] Pressione neutra u (kpa) tempo (s) 34

35 Parziale drenaggio La permeabilità dei terreni intermedi è tale da fare verosimilmente avvenire la prova penetrometrica in condizioni di parziale drenaggio. Condizioni di drenaggio nei limi di Venezia (CPTU 14) Resistenza non drenata normalizzata su /σ'v Parziale Drenaggio m Prevalentemente non drenato (Terreni limosi) Parametro delle pressioni neutre B q = u - u q t - σ v Non drenato (Argille) s u /σ v =.3 su /σ v = Resistenza alla punta normalizzata Qt = q t - σ v σ' v (Schnaid et al., 4) Parziale drenaggio Si ritiene che la preliminare determinazione del grado di drenaggio sia cruciale ai fini della corretta interpretazione delle misure registrate nel corso della prova. A tale scopo, recenti studi suggeriscono di effettuare prove a diverse velocità di avanzamento e di interpretare i risultati in termini della velocità adimensionale V = v d/c v. Effetto della velocità di avanzamento sull eccesso di pressione neutra (Randolph, 4) 3

36 Parziale drenaggio qt (MPa) v =.1 cm/s v = cm/s v = 4 cm/s Depth [m] u (MPa) max 34 min Bq.7 CPTU 34 v = cm/s CPTU 34max v = 4 cm/s.6 CPTU 34min v =.1 cm/s Drainage Increasing NC Kaolin OC Kaolin Lightly OC silica flour bentonite (SFB) OCR increasing Silty Soils Heavily OC SFB V=vd/c v. Profili CPTU a diverse velocità di acanzamento (Treporti) (Tonni & Gottardi, 9) Effetto di V su Bq in argille e argille limose NC e OC (Schneider et al., 7). Confronto con la risposta dei limi di Venezia (Tonni e Gottardi, 1). Prove Geotecniche in situ Esecuzione, acquisizione dati e interpretazione numerica Corso di Formazione A.P.C. Jesi, Gennaio 1 ORDINE geologi MARCHE Caratterizzazione geotecnica del sottosuolo mediante prove con piezocono con particolare riferimento ai sedimenti limo-sabbiosi e limo-argillosi Laura Tonni DICAM, Università di Bologna laura.tonni@unibo.it 36