L INTERPRETAZIONE DELLE INDAGINI IN SITO

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1 L INTERPRETAZIONE DELLE INDAGINI IN SITO Criteri e riferimenti per le interpretazione delle indagini alla luce delle NTC 2008 Geol. Ing. Massimo Pietrantoni

2 INDICE DEL CORSO 1. PREMESSE 2. LE PROVE SPT 3. LE PROVE CPT 4. LE PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE CONTINUE 5. PROVE SCISSOMETRICHE, PRESSIOMETRICHE E DILATOMETRICHE 6. LE PROVE SU PIASTRA 7. LE PROVE DI PERMEABILITA

3 Premesse In questo corso verranno sinteticamente richiamati i metodi di interpretazione delle indagini in sito più frequentemente utilizzate in campo progettuale. Non saranno illustrate le modalità esecutive, ma solo i criteri di interpretazione e di rappresentazione dei risultati, richiamando alcune delle principali correlazioni di letteratura, con specifico rifermento alle diverse problematiche progettuali. Si rimanda ai testi specifici per maggiori dettagli

4 Premesse Le indagini in sito sono uno strumento per la stima indiretta dei parametri geotecnici dei terreni. Esse vanno sempre associate alle indagini geologiche, sondaggi a carotaggio o qualsiasi altro mezzo che consenta di definire direttamente le caratteristiche litologiche del sottosuolo. E buona norma quindi utilizzare le indagini in sito come strumento complementare ai sondaggi e alle prove di laboratorio, anche se in determinate situazioni le indagini in sito sono da considerare indispensabili per la caratterizzazione geotecnica.

5 Premesse Vanno distinte: - le prove che forniscono valori da utilizzare con opportune correlazioni empiriche per la stima dei parametri geotecnici; - le prove che forniscono (tramite relazioni insite nella stessa elaborazione dell esecutore della prova) alcuni parametri del terreno. Fanno parte del primo gruppo le prove SPT e CPT; del secondo gruppo le prove pressiometriche, scissometriche, dilatometriche. In questo corso si forniranno maggiori informazioni sui criteri di interpretazione dei risultati del primo gruppo di indagini, in quanto i risultati del secondo gruppo sono forniti direttamente già elaborati.

6 PROVE SPT Normalizzazione del valore N SPT per le procedure esecutive La correzione tiene conto dei differenti dispositivi di infissione utilizzati e delle procedure esecutive. Il valore di N SPT, corretto secondo la formula proposta da Skempton, assume il valore N 60 = C ER C B C S C R N SPT in cui N 60 = valore corretto per le procedure esecutive C ER = fattore di correzione per il rapporto di energia C B = fattore di correzione per il diametro del foro C S = fattore di correzione per il tipo di campionatore C R = fattore di correzione per la lunghezza della fune N SPT = valore misurato I valori dei fattori di correzione proposti da Skempton sono elencati nella tabella seguente.

7 PROVE SPT

8 CN = 1 σvo PROVE SPT Correzione del valore di N SPT per le tensioni litostatiche Viene utilizzata la seguente correzione proposta in letteratura (N l ) 60 = C N N 60 in cui (N l ) 60 = valore corretto per le tensioni litostatiche e per le procedure esecutive N 60 = valore corretto per le procedure esecutive C N = fattore di correzione per la tensione litostatica Il valore del fattore C N proposto da Liao e Whitman è in cui σ vo = tensione verticale efficace in kg/cm 2

9 PROVE SPT Correlazioni per la stima della densità relativa Dr Correlazione, riportata in Manual on estimating soil properties (Cornell University, 1990) elaborata dai metodi di Skempton e di Liao & Whitman, valida per sabbie NC Dr ( N ) l 60 = D 50 = diametro dei granuli passanti al 50% in mm log D 50 Correlazione proposta da Meyerhof Dr = 21 σ N SPT vo Correlazioni per la stima dell angolo di attrito Correlazione proposta nel Road Bridge Specification ϕ = SPT 15 N +15

10 PROVE SPT Correlazioni per la stima del modulo di deformabilità Manual on estimating soil properties (Cornell University, 1990) E = 10 N 60 valida per clean NC sands E = 15 N 60 valida per clean OC sands (E = modulo di deformabilità in kg/cm 2 ) D Appolonia et al. (1970) E = N SPT E = N SPT Schultze & Menzenbach (1961) E = N SPT in MPa (MPa) per sabbia e ghiaia NC (MPa) per sabbia OC Pasqualini (Politecnico di Torino,1983) Da correlazioni tra SPT e pressiometriche (Tornagli, Franke, Ghionna-Lancellotta-Maniscalco, Albert-Hegg-Manassero. E = B N SPT con B = 7MPa

11 PROVE SPT Esistono anche correlazioni valide per terreni argillosi Coesione non drenata c u = α N SPT con α coefficiente che varia a seconda degli autori (tra 3.8 e 12.5, in kpa) Modulo edometrico M = β N SPT con β che varia tra 500 e 600, in kpa)

12 PROVE SPT CONSIDERAZIONI Le correlazioni vanno applicate con molta cautela tenendo conto dei seguenti aspetti: 1) Le prove SPT sono prove rudimentali e affette da errori, difetti esecutivi e anomalie difficilmente verificabili. 2) Le correlazioni sono state sperimentate su prove eseguite con la punta aperta (campionatore Raymond) 3) Verificare anomalie dovute a particolarità litologiche (es. trovanti) o inconvenienti (pulizia fondo foro). 4) Le prove SPT sono adatte per terreni sabbiosi. 5) I valori ricavati dalle correlazioni andrebbero sempre confrontati con i campi di valori usuali per quel tipo di terreno. ESEMPIO: un valore di N SPT =60 su sabbia fornirebbe un valore di angolo di attrito di 45, irrealistico per un terreno sabbioso. In generale: non superare valori di ϕ=35-38 per sabbie e per ghiaie

13 PROVE SPT ULTERIORI CONSIDERAZIONI Nella pratica progettuale è consigliabile seguire alcuni indirizzi: 1) Tenere conto dell affidabilità delle prove e delle correlazioni utilizzate, con particolare cautela per le prove in terreni coesivi. 2) Non applicare in maniera automatica le correlazioni, ma stabilire dei valori limite dei parametri da non superare tenendo conto delle caratteristiche granulometriche e delle condizioni geologiche del deposito. 3) Fare riferimento a valori approssimati e con poche cifre significative (evitare decimali). 4) Evitare di utilizzare le correlazioni che forniscono direttamente dei valori progettuali ( portanza, cedimenti, ecc..) a meno che non siano disponibili numerosi dati e sia concordata con il progettista l applicazione di specifiche relazioni (ad es. metodo di Reese & O Neill per i pali). Maggiore affidabilità per i pali battuti

14 PROVE CPT

15 INTERPRETAZIONE DELLE PROVE Il primo passo è quello della stima delle caratteristiche granulometriche Metodo di Begemann Si considera il rapporto tra Rp e Rl Metodo di Schmertmann Confronto tra Rp e il rapporto delle resistenze Fr Fr%=100 Rl/Rp PROVE CPT

16 PROVE CPT Metodo di ROBERTSON

17 PROVE CPT Stima dei parametri geotecnici Per terreni coesivi Coesione non drenata c u = (Rp - σ vo ) / N kt Modulo edometrico Kulhawy e Mayne (1990) M = 8.25 (Rp - σ vo ) Mitchell e Gardner M = α Rp Con α variabile tra 0.7 e 5 in funzione del tipo di terreno

18 Stima dei parametri geotecnici Per terreni granulari PROVE CPT (BALDI ET AL., 1986) (ROBERTSON & CAMPANELLA, 1983) (BALDI ET AL., 1989)

19 PROVE CPT CONSIDERAZIONI 1) Le prove CPT sono meno condizionate da criticità legate alle modalità esecutive (a parte la corretta taratura degli strumenti). 2) Rispetto alle prove SPT è possibile avere profili continui, con la possibilità di effettuare correlazioni stratigrafiche tra prove contigue (ma solo come interpolazione tra sondaggi carotati). 3) Le correlazioni trovano una diffusa applicazione nei terreni coesivi e vanno utilizzate, possibilmente, con prove di taratura in sito (confronto con prove di laboratorio). 4) Anche per le prove CPT esistono correlazioni che forniscono direttamente alcuni parametri per il calcolo delle fondazioni. Le relazioni per il calcolo dei pali sono ritenuti affidabili (ad es. le relazioni di Bustamante e Giasenelli) se disponibili in quantità significative.

20 PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE CONTINUE Sono diffusi numerosi tipi di penetrometri dinamici continui che si differenziano per massa e altezza del maglio, punta, aste, ecc.. La maggiore difficoltà di applicazione deriva proprio dalla difficile standardizzazione delle attrezzature. Il comitato ISSMFE ha proceduto a classificare i vari penetrometri (DPL, DPM, DPS, DPSH). Una ulteriore limitazione è data dalla difficoltà di separare l attrito lungo le aste durante l avanzamento. Interpretazione dei risultati Esistono tre principali metodi di interpretazione: 1. Risalire da N DP a N SPT e utilizzare le correlazioni SPT 2. Ricavare la resistenza dinamica e correlarla con la resistenza statica equivalente 3. Correlare direttamente i valori di N DP con quelli di Rp e utilizzare le correlazioni CPT

21 PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE CONTINUE In ogni caso l utilizzazione dei risultati necessita di un doppio passaggio interpretativo, con conseguente riduzione dell affidabilità delle correlazioni. In genere la procedura più consigliata è quella di valutare la resistenza equivalente, attraverso la formula olandese ricavando la resistenza alla penetrazione (in kpa, MPa ) Questo è il metodo più usato all estero ed è il più logico perché consente di prescindere dalle caratteristiche delle attrezzature. Si consiglia una applicazione molto cautelativa delle correlazioni per la stima dei parametri geotecnici. Tuttavia, in alcune condizioni (scarsa accessibilità) questi penetrometri trovano una buona applicazione, soprattutto se utilizzati per valutazioni di tipo qualitativo o per la sola individuazione di strati soffici o di un substrato.

22 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE SCISSOMETRICHE Si tratta di prove particolarmente adatte per la determinazione della resistenza a taglio non drenata (S u ) dei materiali coesivi. L affidabilità della stima di questo parametro è in genere elevata, ma si consiglia sempre una taratura specifica con prove di laboratorio. I limiti di applicazione sono: -Le caratteristiche granulometriche (solo in terreni coesivi) -Il grado di consistenza (possibilità di infissione delle palette) -Profondità di prova limitata (rigidezza torsionale delle aste) Bjerrum ha proposto un coefficiente di correzione µ funzione dell indice di plasticità IP per ottenere la S u in situ a partire dalla S u misurata. Un ulteriore parametro stimabile è la sensitività intesa come rapporto tra resistenza massima e residua.

23 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE DILATOMETRICHE Le prove dilatometriche misurano la deformazione del terreno attarverso una membrana infissa nel terreno: dalle prove si ricava il modulo dilatometrico E D, l indice delle tensioni orizzontali K D e un indice di materiale I D che fornisce informazioni sulla granulometria del terreno. Tramite specifiche relazioni vengono ricavati i valori del modulo confinato (edometrico) e la resistenza a taglio non drenata. Un parametro importante per determinati problemi (gallerie, opere in sotterraneo) è il coefficiente di spinta a riposo K 0, che viene stimato dalla prova dilatometrica attraverso relazioni con l indice K D. Minori affidabilità hanno le correlazioni per la stima dell angolo di attrito.

24 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE DILATOMETRICHE

25 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE PRESSIOMETRICHE Si tratta di una prova molto diffusa in Francia (e paesi francofoni) dove viene utilizzata come mezzo di indagine indispensabile per la progettazione geotecnica. Le Norme francesi fanno infatti riferimento specifico ai risultati di queste prove non solo per la valutazione di alcuni parametri geotecnici, ma per lo stesso dimensionamento dei pali di fondazione. In Italia vengono utilizzate in particolare per la valutazione del modulo di deformabilità di materiali litoidi o semi-litoidi (tufi, piroclastiti) e in genere in terreni poco campionabili. La prova viene elaborata a partire dalla misura di: P 0 : pressione corrispondente alla fine del tratto iniziale di ricompressione del terreno disturbato dalla perforazione; P F : pressione di fluage corrispondente alla fine del tratto a comportamento elastico

26 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE PRESSIOMETRICHE Si determina la pressione limite P lim : corrisponde alla pressione alla quale la deformazione diventa infinita. Viene definita convenzionalmente come la pressione che corrisponde al volume limite, pari a due volte il volume iniziale della cavità. In terreni poco deformabili il volume limite può non essere raggiunto per cui la P lim viene stimata tramite estrapolazioni della curva P-V. Dalla prova viene calcolato il modulo pressiometrico e da questo, con opportune relazioni, il modulo di Young. Si possono poi ricavare i valori di coesione non drenata per le argille e l angolo di attrito per le sabbie.

27 PROVE IN FORO DI SONDAGGIO PROVE PRESSIOMETRICHE

28 PROVE SU PIASTRA Le prove su piastra circolare La prova consente di determinare il modulo di deformazione di volumi di terreni più significativi rispetto alle prove di laboratorio e in una condizione indisturbata (in sito). Le prove su piastra più diffuse di diametro 30 cm, sono comunque rappresentative di spessori modesti (non superiori a un metro). Vengono utilizzate in particolare per la definizione del modulo di sottofondo. Nella progettazione stradale sono utilizzate per la determinazione delle bonifiche del piano di appoggio dei rilevati e per la verifiche del grado di compattazione dei rilevati e della sovrastruttura stradale. I Capitolati ANAS fissano valori specifici del modulo ottenuto con la prova su piastra.

29 PROVE SU PIASTRA Le prove su piastra circolare Ø30 cm Tra le prove più utilizzata, quella delle Norme Svizzere SN e la CNR B.U. n Si eseguono due cicli di carico intervallati da un ciclo di scarico. Le prove su piastra circolare di vario diametro La prova ASTM D.1196, specifica per le pavimentazioni, utilizza piastre di diametro da 152 a 762 mm. La prova ASTM D.1195 per pavimentazioni con carichi ripetuti differisce dalla precedente solo nelle modalità esecutive e nella restituzione dei dati. La Norma ASTM D.1194 per fondazioni può essere utilizzata anche per la stima del carico limite del terreno. Vengono utilizzate tre piastre con diametri compresi tra 305 e 762 mm. Il valore del modulo di deformazione (che può essere diverso per i differenti step di carico o scarico) si ricava direttamente dalla pendenza della curva carico-cedimento

30 PROVE SU PIASTRA Le prove su piastra

31 PROVE SU PIASTRA IN ROCCIA Le prove su piastra circolare Ø50-80 cm Vengono utilizzate su roccia in progetti di particolare importanza, dove è necessaria una stima affidabile del modulo di deformabilità degli ammassi rocciosi (difficilmente stimabile con prove di laboratorio). Vengono realizzate all interno di cunicoli utilizzando le due pareti contrapposte per garantire il contrasto sufficiente ai martinetti che devono trasferire tensioni di carico nella roccia molto elevati

32 PROVE SU PIASTRA IN ROCCIA

33 PROVE SU PIASTRA IN ROCCIA E = q ( 1 + ν ) z ( z + A ) ( z + a ) z ( 1 ν ) ( z + a ) 2 ( 1 ν ) ( z + A ) 0.5 dove: q: tensione applicata (MPa) ν: coefficiente di Poisson δ: spostamento misurato Z: profondità sotto la superficie di carico (m) A: raggio esterno della piastra A: raggio interno della piastra

34 PROVE DI PERMEABILITA Le prove di permeabilità sono richieste quando è necessaria la valutazione delle caratteristiche di permeabilità dei terreni o degli ammassi rocciosi, e cioè quando il dimensionamento delle opere in progetto è fortemente influenzato da questo parametro. Questo avviene in particolare per le dighe, per le opere in sotterraneo sotto falda, negli scavi profondi e negli interventi di drenaggio. Vengono utilizzate in genere due tipi di prove di assorbimento d acqua in foro: 1) Le prove Lefranc (assorbimento per gravità) 2) Le prove Lugeon (assorbimento in pressione)

35 PROVE DI PERMEABILITA Le prove Lefranc Sono effettuate in fori di sondaggio in due differenti modalità: a carico costante ed a carico variabile. Prove a carico variabile (terreni molto permeabili). - prova in risalita: tramite emungimento. - prova in abbassamento: immissione di acqua. Prove a carico costante (terreni poco permeabili). K = Q / CH (carico variabile) K = AdH / C dt Hm (carico costante) C : fattore di forma

36 PROVE DI PERMEABILITA Le prove Lugeon Sono utilizzate in genere negli ammassi rocciosi e nei progetti in cui si prevedono carichi idraulici molto elevati (dighe). Interpretazione delle prove Il primo passo è quello di determinare il meccanismo di assorbimento (flusso laminare, turbolento, per dilatazione, dilavamento o riempimento delle fessure) esaminando l andamento degli assorbimenti in corrispondenza dei singoli gradini. Si può fare riferimento al metodo di Houlsby con gli schemi seguenti. In funzione del tipo di assorbimento si sceglie il valore di UL caratteristico.

37 PROVE DI PERMEABILITA

38 PROVE DI PERMEABILITA PROVE LUGEON Le prove Lugeon forniscono le caratteristiche di permeabilità in termini di Unità Lugeon, definita come l assorbimento di 1 litro al minuto sotto una pressione di 1 MPa per 1 metro lineare di camera di prova. Le unità UL sono utilizzate direttamente nel campo della progettazione delle dighe: i valori UL sono presi come riferimento per gli interventi di impermeabilizzazione. 1 Unità Lugeon 0.6 * 10-7 m/s Il passaggio al coefficiente di permeabilità K (m/s) è ammissibile solo in condizioni di regime lineare

39 FINE DEL CORSO