GEOLOGIA APPLICATA E GEOTECNICA

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1 GEOLOGIA APPLICATA E GEOTECNICA 2

2 Direttore Luigi ESPOSITO Università degli Studi di Napoli Federico II Comitato scientifico Nicola SCIARRA Università degli Studi di Chieti Antonio PASCULLI Università degli Studi di Chieti Luciano ROSATI Università degli Studi di Napoli Federico II

3 GEOLOGIA APPLICATA E GEOTECNICA Questa collana si occupa di analisi dei problemi di geologia applicata e geotecnica attraverso i risultati di indagini in sito, indagini di laboratorio e modellazione numerica. I volumi pubblicati sono stati valutati secondo il sistema di revisione tra pari (peer review).

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5 Luigi Esposito Guida all uso delle CPT

6 Copyright MMXII ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: novembre 2012

7 Questo libro è dedicato alla memoria del giovane Dottor Salvatore Parco, già mio allievo, prematuramente e tragicamente scomparso nel compimento del proprio lavoro per la criminale incoscienza del conducente di un TIR. Un caro e grato ricordo va a tutti i giovani che ho avuto il piacere e l onore di formare negli anni della mia docenza.

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9 Indice 11 Prefazione 13 Capitolo I Introduzione alle CPT 1.1. Premessa, Un po di storia, Attrezzature per l esecuzione delle CPT, Penetrometri, Sistemi di spinta del penetrometro, Manutenzione e calibrazione del penetrometro, Elementi filtranti, Elementi complementari per l esecuzione delle CPT, Prove a profondità intermittenti, Chiusura dei fori, Capitolo II Rilievo della stratigrafia da prove CPT 2.1. Generalità, Metodi per la ricostruzione stratigrafica, Considerazioni aggiuntive sulla determinazione della stratigrafia da prove CPT: Stratigrafia di un terreno stratificato, Capitolo III Parametri derivati 3.1. Generalità, Velocità delle onde di taglio, Peso dell unità di volume, Rapporto di Poisson, Modulo di taglio per piccole deformazioni, Identificazione di terreni inusuali utilizzando le SCPT, Storia dello stato tensionale, Argilla, Sabbie, Terreni misti, Determinazione dei parametri di resistenza, Sabbia, Terreni misti, Terreni coesivi, Indice di densità, o densità relativa, di sabbie pulite, Modulo a deformazione laterale impedita, Tensione orizzontale geostatica, Coesione intercetta efficace, Coefficiente di consolidazione, Indice di rigidità, Conducibilità idraulica, Capitolo IV Applicazioni dei risultati delle prove CPT 4.1. Generalità, Fondazioni superficiali e rilevati, Fondazioni superficiali, Metodo indiretto o razionale per determinare la portanza di fondazioni superficiali da prove CPT, Metodo razionale o indiretto per il calcolo dei cedimenti, Metodo diretto dell uso dei parametri misurati da CPT per il calcolo della portanza di fondazioni superficiali, Metodi per determinare i cedimenti con l ausilio di prove CPT, Casi di studio per fondazioni superficiali, Stabilità dei rilevati e cedimenti, Cedimenti al di sotto dei rilevati, Stabilità dei rilevati, Tempo necessario per la consolidazione dei rilevati, Prove CPT per il progetto dei pali e delle fondazioni profonde, Generalità, Metodi razionali o indiretti per ricavare la portanza di pali 9

10 10 Guida all uso delle CPT caricati assialmente da prove CPT, Metodi diretti per determinare la portanza dei pali da prove CPT, Altri metodi diretti per ricavare la portanza dei pali da prove CPT, Cedimenti delle fondazioni su pali, Soluzione del semispazio elastico, Soluzione approssimata per il cedimento non lineare di pali caricati assialmente, Esempio per illustrare la metodologia di cui alla precedente sezione, Capitolo V Valutazione del rischio di liquefazione 5.1. Generalità, Identificazione dei terreni che possono subire liquefazione, Determinazione del livello di vibrazione del terreno, Bibliografia 193 Elenco delle figure

11 Prefazione Il libro Guida all uso delle CPT ha lo scopo di condurre il lettore in un percorso che parte dalle origini di questo tipo di prova in sito, indicandone via via gli sviluppi tecnici, fino ai moderni penetrometri elettronici multifunzione. Dopo una descrizione del funzionamento dei moderni penetrometri e dei sistemi di spinta per la loro infissione nel terreno, si passa a quelli che sono i controlli periodici e le tarature necessarie per il corretto funzionamento delle apparecchiature contenute nella sonda. Particolare attenzione è dedicata alle tecniche da utilizzare per la saturazione dei filtri, dei condotti e del ricettacolo in cui è posto il trasduttore. I primi capitoli sono dedicati sia alla determinazione delle stratigrafie dei siti esplorati sia alla determinazione dei parametri fisici e meccanici dei mezzi geologici attraversati. Le correlazioni per ricavare le stratigrafie sono riportate in maniera particolarmente ampia, specie per quanto attiene i criteri di normalizzazione dei parametri misurati durante l avanzamento del penetrometro. Le correlazioni riportate sono state ricavate da pubblicazioni recentissime ( ) di vari ricercatori e sono basate su considerazioni di carattere teorico, come interpretazione di prove condotte in camera di calibrazione e da osservazioni di comportamenti in sito. Queste correlazioni possono essere utilizzate per determinare i valori: dei parametri di resistenza a taglio (s u, c e φ ); il modulo di taglio per piccole deformazioni G 0 o G max ; la velocità delle onde di taglio V s ; la storia dello stato tensionale; il modulo a deformazione laterale impedita; il coefficiente di conducibilità idraulica k. I capitoli successivi riportano quelli che sono i criteri di utilizzo dei risultati delle CPT per la progettazione diretta sia delle fondazioni superficiali sia di quelle profonde, sia per quanto attiene la loro portanza sia per quanto riguarda la determinazione dei possibili cedimenti, sia assoluti che differenziali. I criteri suddetti sono preceduti dai necessari richiami delle teorie disponibili per determinare sia la portanza sia i cedimenti delle fondazioni superficiali e profonde, denominati criteri razionali, senza peraltro entrare in dettagli che esulano dal contesto del libro. Nell ultimo capito è riportata un ampia trattazione dell uso delle prove condotte con il cono sismico, SCPTu, per la valutazione del potenziale di liquefazione dei terreni: sia da flusso e sia da sisma. In questo capitolo si dimostra l utilità delle CPT, in particolare delle SCPTu, per la valutazione di questi fenomeni che, oltre a produrre gravi danni, hanno provocato anche numerose vittime come nel caso del fenomeno di frana verificatosi a Stava. È evidente che gli argomenti trattati non esauriscono quelli che sono i possibili utilizzi delle CPT, si è ritenuto che quelli trattati siano di maggiore interesse per i tecnici che operano nel settore dell Ingegneria Civile. Si ringrazia l Aracne Editrice per aver accettato di pubblicare quest altro libro. Luigi Esposito 11

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13 Capitolo I Introduzione alle CPT 1.1. Premessa Rischio e incertezza sono caratteristiche del sottosuolo che non è possibile eliminare del tutto. Il livello più appropriato di sofisticazione per la caratterizzazione del sito e dell analisi può essere basato sui seguenti punti: esperienza locale e precedente; finalità del progetto; livello di rischio geotecnico; potenziale riduzione dei costi. La valutazione del rischio geotecnico dipende dal pericolo, dalla probabilità dell evento e dalle conseguenze, i progetti possono essere classificati, in base al criterio su esposto come, a rischio basso, moderato o elevato. La finalità di ogni indagine geotecnica è di determinare: la natura e la sequenza degli strati (regime geologico); condizioni della circolazione idrica sotterranea (regime idrologico); caratteristiche fisiche e meccaniche degli strati coinvolti nel progetto. Per indagini in quei siti per i quali si prevede la presenza di contaminanti ai punti precedenti, è necessario aggiungere il seguente: distribuzione e caratteristiche dei contaminanti. I punti su indicati sono funzione del progetto proposto e dell associato livello di rischio. Un programma ideale d indagine prevede un insieme di prove in sito e di laboratorio in dipendenza del livello di rischio del progetto. La prova CPT e le sue versioni migliorate (vale a dire CPTu e SCPTu) hanno un uso estensivo in un gran numero di terreni diversi sebbene la prova inizialmente fosse limitata a terreni di bassa consistenza, i potenti moderni mezzi di spinta e la disponibilità di coni molto robusti, consentono oggi l esecuzione della prova anche in terreni molto duri e, in alcuni casi, in rocce tenere. La prova CPT ha i seguenti vantaggi: un rilievo continuo e veloce delle condizioni del sottosuolo; dati ripetibili e affidabili (indipendenti dall operatore); 13

14 14 Guida all uso delle CPT economicità e produttività; forti basi teoriche per l interpretazione dei risultati. Per contro si hanno i seguenti svantaggi: è necessario un investimento economico iniziale relativamente elevato; richiede manodopera qualificata; impossibilità del prelievo di campioni; limitate possibilità di eseguire prove in ghiaia e /o strati cementati. Sebbene non sia possibile ottenere campioni dall esecuzione della prova CPT, la sua capacità di fornire dati con continuità consente di ottenere delle stratigrafie molto dettagliate, oltre alle prime indicazioni sui parametri di resistenza meccanica, in base a questi dati è possibile eseguire un campionamento selettivo nelle zone considerate critiche. Per eseguire una prova CPT è necessario disporre di un penetrometro, questo è costituito da una punta conica con angolo di apertura di 60 ed area d impronta di 10 cm 2, al di sopra della punta è presente un manicotto per la misura della resistenza laterale locale, figura 1.1. La forza totale agente sulla punta Q c rapportata alla sua superficie permette di determinare la resistenza alla penetrazione q c. La resistenza totale agente sul manicotto F s rapportata alla sua superficie determina la resistenza laterale locale, o friction slive, f s. Quando è necessario misurare anche la pressione dei pori in avanzamento u, è necessario che sia presente un filtro poroso sito poco sopra la punta conica, figura 1.1. Figura 1.1. Schema di punta penetrometrica con indicazione delle sue parti principali.

15 I. Introduzione alle CPT Un po di storia Nel 1932 è stato realizzato il primo penetrometro, questo era costituto da una punta conica, con angolo di apertura di 60 e area d impronta di 10 cm 2, posta all estremità di aste di acciaio del diametro di 15mm, fatte scorrere all interno di tubi del gas con diametro esterno di 35mm, figura 1.2. Figura 1.2. Il primo penetrometro meccanico Olandese (da Sanglerat, 1972). Nel 1935 presso le officine della Delft Soil Mechanics Laboratory veniva realizzato il primo penterometro manuale da 10 tonnellate (100kN), figura 1.3. Figura 1.3. Immagine del primo penetrometro meccanico (da Delft Geotechnics).

16 16 Guida all uso delle CPT Nel 1948 era apportatato un primo sostanziale miglioramento alla primitiva punta olandese con l introduzione di un mantello di forma conica subito sopra la punta, questo aveva il compito di impedire al terreno di inserirsi nell intercapedine esistente tra le tubazioni di rivestimento e le aste della punta, figura 1.4. Nel 1953 è stato introdotto il manicotto sopra la punta conica, consentendo in tal modo anche la misura della resistenza laterale locale (Begemann, 1953), con questo tipo di punta la misura era eseguita ogni 20 centimetri, figura 1.5. Con l introduzione della punta Begemann, e quindi con la possbilità di determinare il rapporto di frizione, sono stati proposti i primi diagrammi per la determinazione del tipo di terreno attraversato, figura 1.6. Figura 1.4. Schema della punta olandese con l introduzione del mantello (da Sanglerat, 1972). Nel 1965 la FUGRO ha sviluppato per la prima volta una punta elettrica, questa costituisce la base per lo sviluppo dei moderni penetrometri. L introduzione della punta elettrica ha comportato, rispetto a quella Begemann, i seguenti vantaggi: eleminazione degli errori di lettura dovuti agli attriti tra aste interne e tubazioni di rivestimento, e al peso delle aste; prova continua con una costante velocità di penetrazione senza la necessità di alternare movimenti delle varie parti del penetrometro e con l assenza di movimenti indesiderati del terreno che influenzano la resistenza; semplicità e affidabilità delle misure della resistenza di punta e laterale locale grazie ai trasduttori elettrici. Nel 1974 è stato introdotto per prima volta il filtro e il trasduttore per la misura della pressione dei pori in avanzamento, nei primi tempi i filtri erano posti in varie posizioni e solo successivamento si sono assunte come standard la poszione 1, metà del cono, e quella 2, poco sopra il cono.

17 I. Introduzione alle CPT 17 Figura 1.5. Schema della punta Begemann. Figura 1.6. Esempio di un primo diagramma per la classifca dei terreni da prove CPT con punta Begemann Attrezzature per l esecuzione delle CPT Un attrezzatura per l esecuzione di prove CPT include le seguenti parti: 1 un penetrometro elettrico o meccanico; 2 un sistema di spinta e delle aste;

18 18 Guida all uso delle CPT 3 dei cavi o un sistema di trasmissione dei dati; 4 un misuratore di profondità; 5 un sistema d acquisizione dati. Nelle prossime sezioni saranno brevemente illustrate le caratteristiche solo di alcuni di queste parti, per maggiori dettagli si veda Robertson e Campanella (1984); Briaud e Miran (1992); Lunne e Ali (1997) Penetrometri Un penetrometro standard consiste in una sonda di acciaio strumentata con tre canali che misurano la resistenza alla penetrazione, q c, quella laterale locale, f s, e la pressione dei pori generata dall avanzamento della punta, u m. La parte anteriore della sonda è costituita da una punta conica con angolo d apertura di 60 che ha un piccolo orlo, approssimativamente di 5 mm, nella sua parte superiore. Il penetrometro è normalmente disponibile in due versioni standard: (1) la versione con diametro della punta di 35,7 mm, cui corrisponde un area di 10 cm 2, e una superficie del manicotto, A s = 150cm 2 ; (2) una versione con diametro della punta di 44 mm, cui corrisponde una superficie A c = 15 cm 2, ed una superficie del manicotto, A s = cm 2, figura 1.7. La dimensione di 10 cm 2 della punta conica è stata la dimensione standard fin dalla nascita di quest apparecchio, anche se ora si preferisce la dimensione maggiore, 15 cm 2, poiché è più adatta al rilievo della stratigrafia ed inoltre consente di inserire un maggior numero di sensori se necessario, figura 1.7 ed 1.8. I penetrometri di piccole dimensioni sono utilizzati per indagini superficiali, per contro, quello da 40 cm 2 è utilizzato per prove in ghiaia. L introduzione di sonde penetrometriche di grandi dimensioni ha permesso di utilizzare anche gli altri sensori appresso indicati: termoresistori; geofoni (SCPT); pressiometri; telecamere; rilevatori di radioisotopi; misuratori di resistenza elettrica; misura del dielettrico; misuratori di ph; misura dello scambio di ossigeno ed altri ancora. Dei sensori su indicati quelli che più di frequente sono utilizzati sono i geofoni triderezionali per l esecuzione di prove sismiche tipo down hole (SCPT). Nei penetrometri moderni la misura delle resistenze, di punta e laterale locale, sono ottenute attraverso celle di carico, o trasduttori di forza, poste in varie posizioni.

19 I. Introduzione alle CPT 19 Figura 1.7. Vari tipi di sonde penetrometriche, da sinistra: 2cm 2, 10 cm 2, 15 cm 2 e 40 cm 2. Nel penetrometro tension type cone, all interno della sonda, e sopra la punta conica, è posta una cella di carico che misura la forza necessaria all avanzamento, F c, una seconda cella di carico è utilizzata per misurare la forza assiale lungo il manicotto di frizione, F s. Nel penetrometro detto cono di tipo sottrattivo la cella di carico è posta nella parte posteriore della sonda per cui misura la forza totale (F c + F s ), in questo secondo tipo di penetrometro è necessario misurare separatamente la F c che sottratta alla forza totale consente di determinare la F s, figura 1.9. In casi particolari si possono utilizzare penetrometri di piccole dimensioni con area del cono che possono variare da 5 ad 1 cm 2, e il cui utilizzo è discusso nella letteratura specializzata. Questi mini coni sono stati utilizzati in laboratorio

20 20 Guida all uso delle CPT Figura 1.8. Dimensioni dei penetrometri standard da 10 e 15 cm 2. per le prove condotte nelle camere di calibrazione e in centrifuga, tuttavia spesso sono utilizzati per prove in sito (Tumay e Ali, 1998). Tabella 1.1. Classi di penetrometri secondo le norme dell EUROCODICE parte II 0. Classe Tipo di prova Raccomandato per le seguenti condizioni del sottosuolo 1 TE2: q c ; f s ; u Inclinometro Depositi da molli a molto molli: normalmente non adatti per terreni stratificati con alternanza di strati a molli a densi. 2 TE2: q c ; f s ; u TE1: q c ; f s. Inclinometro Depositi stratificati con alternanza di strati da molli a densi: rilievo della tratigrafia e interpretazione indicativa in strati molli. 3 TE2: q c ; f s ; u TE1: q c ; f s. Inclinometro Depositi stratificati con alternanza di strati da molli a densi: rilievo della tratigrafia e interpretazione indicativa in strati da duri a molto duri 4 TE1: q c ; f s. Depositi stratificati con alternanza di strati da molli (sciolti) a molto duri (densi): rilievo della stratigrafia, nessuna possibilità d interpretazione di parametri del terreno. Penetrometri di grandi dimensioni sono stati sviluppati per particolari applicazioni, come, ad esempio, le versioni da 33 e 40 cm 2 per prove in ghiaia, nella figura 1.10 sono riportate alcune delle serie di penetrometri oggi disponibili. Il penetrometro di tipo sottrattivo nel 1980 è divenuto molto popolare grazie alla sua robustezza, tuttavia in terreni molli questo penetrometro perde di accuratezza nella determinazione di f s, dovuto sopratutto allo postamento dello zero in assenza di carico dei due trasduttori, e questi errori possono sommarsi nel tempo. Per una misura accurata di f s Robertson

21 I. Introduzione alle CPT 21 Figura 1.9. Schemi di diversi tipi di penetrometro: (a) punta e manicotto in compressione; (b) punta in compressione e manicotto in trazione; (c) cella di carico di tipo sottrattivo. (2009) raccomanda l uso di sonde con celle separate, e con una buona progettazione (manicotto con egual area terminale e con celle separate) in tal modo è possibile ottenere resistenze, di punta e laterale locale, ripetibili e affidabili è da tenere presente, tuttavia, che la misura di f s è sempre meno accurata di quella di punta, q c. Le norme dell EUROCODICE prevedono l uso di diverse classi di penetrometri come indicato nella tabella 1.1. Figura Serie di penetrometri disponibili: sinistra serie di Van den Berg; centro serie FUGRO ( da sinistra a destra: 33; 15; 10; 5 ed 1 cm 2 ); destra serie Georgia Tech.( dal basso in alto 5cm 2 ; serie di 4 piezoconi con area 10 cm 2 : tipo 2; tipo 2 sismico; doppio piezocono. Punta da 15 cm 2 con 3 sensori) Sistemi di spinta del penetrometro I sistemi di spinta del penetrometro possono essere costituiti o da un attrezzatura standard di perforazione o sistemi idraulici dedicati alle CPT montati su autocarri, veicoli cingolati, veicoli per terreni sconnessi, montati su slitta o su sistemi portatili. Un sistema idraulico per prove CPT deve avere una capacità di spinta di almeno 200 kn (22 tonnellate). Nella figura 1.11 è riportata la foto di un veicolo contenente sistemi idraulici per prove CPT. Il sistema di spinta è di solito nel centro di massa del veicolo, e questi fanno affidamento sul peso proprio, che varia da 100 a 200 kn (da 11 a 22 tonnellate) per contrastare la spinta esercitata sul penetrometro. Solo in alcuni casi particolari i veicoli sono zavorrati per raggiungere un valore del peso di 350 kn (40 tonnellate). Vi sono anche sistemi idraulici montati su veicoli di peso molto inferiore, dai 18 ai 50 kn (dalle 2 alle 6 tonnellate) che utilizzano sistemi di ancoraggio al suolo