Geotecnica e Laboratorio. Prove geotecniche in sito

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1 Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura Geotecnica e Laboratorio Prove geotecniche in sito Prof. Ing. Marco Favaretti, Ing. Micol Schepis marco.favaretti@unipd.it website:

2 INDAGINI IN SITO: finalità Le indagini geotecniche hanno lo scopo di rendere possibile, a costi ragionevoli, la realizzazione di opere di ingegneria civile, riducendo le incertezze ed i rischi relativi alle caratteristiche dei terreni ad un livello accettabile, che è, ovviamente, funzione dell importanza dell opera. Più in dettaglio, le indagini geotecniche sono rivolte a: 1. l individuazione del profilo stratigrafico, in termini di litotipi presenti, disposizione geometrica dei contatti stratigrafici, presenza di elementi strutturali rilevanti (ad esempio faglie attive) e definizione del regime idraulico delle acque sotterranee; 2. la determinazione delle caratteristiche fisiche (granulometria, plasticità, peso dell'unità di volume, contenuto d'acqua, grado di saturazione, ecc.), meccaniche (deformabilità e resistenza al taglio) ed idrauliche (permeabilità) dei litotipi individuati; 3. il controllo della variazione nel tempo di alcune grandezze, quali, ad esempio spostamenti, forze, e pressioni interstiziali, assunte come rappresentative del comportamento di un opera in fase di realizzazione o completata. L'insieme delle attività 1 e 2 va sotto il nome di "caratterizzazione geotecnica", le attività di cui al punto 3 costituiscono il cosiddetto "monitoraggio".

3 INDAGINI IN SITO : finalità Le indagini geotecniche devono essere programmate in funzione del tipo di opera e devono riguardare il volume significativo del terreno (volume di sottosuolo interessato dalle variazioni di stato tensionale causate dalla costruzione del manufatto). Le indagini devono essere finalizzate alla definizione di uno o più modelli geotecnici del sottosuolo necessari alla progettazione, ovvero schemi rappresentativi delle condizioni stratigrafiche, geotecniche ed idrauliche da utilizzare nell analisi quantitativa di un determinato problema geotecnico. L interpretazione ragionata e cautelativa delle prove in sito e delle prove di laboratorio deve condurre alla stima dei valori caratteristici dei parametri geotecnici rappresentativi del comportamento del terreno. E responsabilità del progettista definire il piano d indagine, la caratterizzazione e la modellazione geotecnica.

4 INDAGINI IN SITO: caratteristiche Per la determinazione del profilo stratigrafico del sottosuolo e delle caratteristiche meccaniche dei terreni presenti, le prove in sito costituiscono un utile complemento alla sperimentazione in laboratorio su campioni di terreno indisturbati. Una disanima dei vantaggi e degli svantaggi delle prove in sito è elencata di seguito. Vantaggi Non è necessario il prelievo di campioni. A tale riguardo le prove in sito sono spesso l'unica fonte di informazioni disponibile per caratterizzare il comportamento meccanico dei terreni incoerenti per i quali il prelievo di campioni indisturbati è impossibile. Con alcune attrezzature è possibile ottenere la registrazione continua con la profondità di parametri che mettono in luce la presenza di caratteri stratigrafici come intercalazioni, lenti di materiali di diversa permeabilità, passaggi di strato. Possibilità di indagare un volume di terreno superiore a quello corrispondente ad un campione di laboratorio, con le sue peculiarità macrostrutturali. Maggiore rapidità di esecuzione Minore costo specifico (soprattutto per quanto riguarda le prove penetrometriche). Ciò rende possibile investigare un numero elevato di verticali con una spesa inferiore a quella necessaria per eseguire un uguale numero di sondaggi con prelievo di campioni indisturbati da inviare al laboratorio.

5 INDAGINI IN SITO: caratteristiche Svantaggi Forniscono un quadro relativamente limitato delle caratteristiche meccaniche del materiale (ad esempio, non è possibile ottenere informazioni sulle caratteristiche di resistenza e deformabilità in tensioni efficaci di un terreno coesivo da prove penetrometriche); A differenza della maggior parte delle prove di laboratorio convenzionali, le prove meccaniche in sito sollecitano il terreno in maniera disomogenea, con percorsi di tensione e deformazione diversi da punto a punto; pertanto l'interpretazione della risposta meccanica del terreno alle sollecitazioni imposte richiede pertanto la risoluzione di un problema ai limiti di complessità spesso proibitiva Nelle prove in terreni coesivi sussiste sempre una incertezza riguardo le effettive condizioni di drenaggio (condizioni non drenate, consolidazione parziale), legata alle caratteristiche di permeabilità e rigidezza del deposito e alla localizzazione di potenziali recapiti drenanti. Il grado di disturbo prodotto dall inserimento dello strumento di misura talvolta è molto elevato.

6 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Analisi e definizione dei problemi geotecnici posti dalla costruzione dell opera Definizione della profondità d indagine, del tipo e del numero di indagini Affidamento delle indagini ad un impresa specializzata e controllo in corso d opera Interpretazione critica delle indagini Modello geotecnico del terreno

8 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Nuovi insediamenti urbani Nuovi insediamenti industriali - Tipologia e dimensionamento delle fondazioni - Instabilità dei pendii - Alterazione del regime delle acque - Tipologia e dimensionamento delle fondazioni - Instabilità dei pendii - Alterazione del regime delle acque - Inquinamento della falda

9 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Ristrutturazione insediamenti esistenti Scavi in sotterraneo - Tipologia e stato delle fondazioni ed adeguamento delle fondazioni ai nuovi carichi - Scelta e dimensionamento degli interventi di sottofondazione - Cedimenti e lesioni nelle murature - Cedimenti degli edifici in superficie - Progetto del sistema di scavo e del rivestimento - Alterazione del regime delle acque

10 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Scavi in superficie Discariche - Cedimenti degli edifici vicini - Scelta e dimensionamento delle opere di sostegno - Stabilità dello scavo - Alterazione del regime delle acque - Idoneità del sito - Progetto dei sistemi di impermeabilizzazione - Instabilità dei depositi

12 Relazione fra indagini geotecniche e progetto: estensione delle indagini Volume significativo: parte del terreno che interagisce con la struttura e che ne influenza il comportamento (e quindi entro il quale vanno condotte le indagini). Volume entro il quale l'incremento della tensione verticale efficace σ'v (z) eccede di oltre il 10% - 15% la tensione verticale efficace preesistente σ'vo (z) in assenza di sovraccarichi.

13 Relazione fra indagini geotecniche e progetto: estensione delle indagini Indicazioni sul volume significativo del sottosuolo a seconda del tipo e delle dimensioni del manufatto, nel caso di terreno omogeneo Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche dell Associazione Geotecnica Italiana (AGI, 1977)

14 Relazione fra indagini geotecniche e progetto: estensione delle indagini Indicazioni sul volume significativo del sottosuolo a seconda del tipo e delle dimensioni del manufatto, nel caso di terreno omogeneo Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche dell Associazione Geotecnica Italiana (AGI, 1977)

15 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Il grado di approfondimento dell indagine geotecnica nel volume significativo del sottosuolo dipende dalla fase di progettazione (di fattibilità, definitiva o esecutiva), dalla complessità delle condizioni stratigrafiche e geotecniche, e dall importanza dell opera. Secondo l Eurocodice per l ingegneria geotecnica (EC7) le opere da realizzare possono essere classificate in tre categorie (GC) di importanza crescente, cui ovviamente corrispondono gradi di approfondimento crescenti dell indagine geotecnica.

16 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Ampiezza orientativa dell indagine geotecnica

18 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Per ottenere dai valori delle grandezze misurate con prove in sito i valori numerici dei parametri geotecnici utili nella progettazione, si utilizzano correlazioni, che a seconda della prova possono essere: Correlazioni primarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dal risultato della prova utilizzando una solida base teorica con poche ipotesi da verificare (ad es. la stima di G0 da misure di Vs); Correlazioni secondarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dal risultato della prova utilizzando una solida base teorica, ma con approssimazioni e ipotesi sostanziali, e in genere con parametri intermedi (ad es. la stima di cu da qc); Correlazioni empiriche, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dal risultato della prova senza giustificazione teorica (ad es. la stima di qlim di fondazioni su sabbia da NSPT).

19 Relazione fra indagini geotecniche e progetto Diagramma di flusso per l interpretazione delle indagini

20 INDAGINI IN SITO I mezzi di indagine più diffusi in Italia, comunemente impiegati per la progettazione di opere di categoria GC2 sono: le perforazioni di sondaggio le prove penetrometriche dinamiche (SPT ) le prove penetrometriche statiche (CPT) le prove penetrometriche con piezocono (CPTU)

22 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Con il termine "sondaggio" si indica una perforazione del terreno effettuata a scopo di indagine utilizzando una macchina denominata "sonda". Le principali finalità dei sondaggi sono: 1. il riconoscimento della stratigrafia; 2. il prelievo di campioni indisturbati per la determinazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche; 3. il raggiungimento di una determinata profondità alla quale condurre prove in sito; 4. l'installazione di strumenti di misura (assestimetri, inclinometri, piezometri).

23 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio In particolare: Per sondaggio stratigrafico si intende una perforazione del terreno, in genere in direzione verticale, che consente di riconoscere la successione stratigrafica, mediante l esame visivo e l esecuzione di alcune prove di riconoscimento sul materiale estratto. Se la perforazione permette, oltre al riconoscimento stratigrafico, anche il prelievo di campioni indisturbati di terreno e l esecuzione di prove in foro per la determinazione delle proprietà geotecniche dei terreni in sede, il sondaggio è detto geotecnico. Con le perforazioni di sondaggio è possibile attraversare qualunque tipo di terreno, anche a grande profondità e sottofalda.

24 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Se lo scopo della perforazione è solo quello di raggiungere una data profondità, ad esempio per installare uno strumento di misura, e non interessa il riconoscimento stratigrafico o il prelievo di campioni rappresentativi, il sondaggio è detto a distruzione (metodo a percussione). Se invece si vuole identificare in dettaglio la successione stratigrafica occorre eseguire una perforazione di sondaggio a carotaggio continuo. La tecnica di perforazione attualmente più utilizzata per i sondaggi a carotaggio continuo è a rotazione. Con le perforazioni a carotaggio continuo, è possibile il riconoscimento dei litotipi presenti mediante il recupero di colonne di terreno dette carote. I sondaggi a carotaggio continuo possono ancora essere divisi in sondaggi: geognostici consentono la definizione del profilo stratigrafico e delle condizioni idrauliche nel sottosuolo; i campioni che sono prelevati con i normali utensili di perforazione sono delle classi Q1 e Q2; geotecnici oltre alle informazioni riguardanti il profilo stratigrafico prevedono il prelievo di campioni indisturbati per prove di laboratorio (classe Q4 e Q5) e/o l'esecuzione di prove in sito.

25 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Caratteristiche dell attrezzatura e campo ottimale di applicazione per ciascuna tecnica di perforazione

26 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Perforazioni a percussione La tecnica consiste nella disgregazione del terreno per mezzo dell'azione battente di un utensile di perforazione sollevato da un argano mediante funi e lasciato cadere al fondo del foro. Questo tipo di perforazione è usato quasi esclusivamente per l'attraversamento di terreni non coesivi a grana grossa. La profondità ed il diametro del foro dipendono dal tipo di utensile utilizzato, dalla energia d urto e dal tipo di terreno attraversato. Il sostegno delle pareti del foro è affidato ad un tubo metallico di rivestimento. I vantaggi dei sondaggi a percussione sono il loro basso costo e la semplicità di esecuzione. Gli svantaggi risiedono nel disturbo arrecato al terreno in posto che rende impossibile il prelievo di campioni di buona qualità a fondo foro. Poiché la perforazione è eseguita in presenza d acqua, immessa nel foro o proveniente dalla falda, i materiali estratti sono dilavati, con perdita della frazione fina. Il materiale estratto dal foro, inoltre, risulta completamente rimaneggiato, il che rende difficile ricavare indicazioni anche solo sulla presenza e sulla posizione di eventuali contatti stratigrafici.

27 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Perforazioni a rotazione La disgregazione del materiale è affidata ad un utensile di perforazione che è soggetto ad un movimento combinato di rotazione e traslazione (avanzamento) trasmesso dall'equipaggio mobile (mandrino) della sonda mediante una batteria di aste. Con l'eccezione della perforazione con trivelle, l'estrazione del detrito di perforazione, contemporanea alla fase di perforazione vera e propria, è affidata alla circolazione di fluidi (acqua o fango bentonitico), immessi nel foro attraverso le aste (circolazione diretta) o lungo le pareti (circolazione inversa), che svolgono anche le importanti funzioni di raffreddamento dell'utensile di scavo e di sostegno delle pareti del foro. La perforazione senza circolazione di fluido (a secco) è possibile solo per brevi tratti e provoca un forte essiccamento del terreno per effetto del riscaldamento prodotto dalla rotazione della corona.

28 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Perforazioni a rotazione L utensile di perforazione più semplice consiste in un tubo di acciaio (carotiere) la cui estremità inferiore è munita di una corona tagliente provvista di elementi di metallo duro. Nella perforazione con carotaggio continuo il fluido di circolazione disturba il campione di terreno prelevato all'interno del carotiere (carota) che pertanto non può essere utilizzato per l'esecuzione di prove meccaniche di laboratorio. Il carotiere semplice: dà risultati soddisfacenti in terreni coesivi consistenti; talvolta per ridurre il disturbo arrecato alla carota viene impiegato a secco, cioè senza circolazione di fluidi (il riscaldamento prodotto per attrito sull'utensile tagliente disturba comunque le caratteristiche fisico-meccaniche del materiale). Il carotiere a doppia parete : fornisce risultati soddisfacenti in quasi tutti i tipi di terreno con la sola eccezione dei terreni incoerenti a grana grossa. Le azioni di disturbo esercitate dal fluido di circolazione e dal movimento rotatorio dell'utensile sono ridotte al minimo grazie alla presenza del tubo interno che ruota liberamente rispetto alla parete esterna ed isola il materiale dal fluido di circolazione. Le azioni di disturbo sono ancora significative in corrispondenza della corona tagliente perché in genere la scarpa del tubo interno è arretrata rispetto a quella della parete esterna. In casi particolari (terreni coesivi molto teneri) è possibile utilizzare carotieri doppi con scarpa interna avanzata rispetto al tagliente esterno.

29 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Perforazioni a rotazione Carotiere wire-line: inizialmente nato per la perforazione a carotaggio continuo in roccia, successivamente è stato modificato per l esecuzione di sondaggi in terreni di qualsiasi natura. E costituito essenzialmente da: o o una batteria di aste di perforazione entro le quali, nella parte bassa terminale, è ricavata una sede per il carotiere o l utensile di perforazione in genere; un carotiere che scorre all interno delle aste di perforazione e possiede un sistema di aggancio che lo rende solidale alle aste. 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. A seconda del tipo di terreno vi possono essere diversi tipi di carotiere o al posto del carotiere può essere calato dentro la batteria di aste un utensile disgregatore. L utensile è calato entro la batteria di aste e recuperato mediante un sistema a fune (da qua il nome wire-line) che ha all estremità un pescatore, conformato in modo tale da permettere le operazioni di aggancio-sgancio.

30 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio

31 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Per assicurare la stabilità delle parete e del fondo del foro, ove necessario, si utilizza una batteria di tubi di rivestimento oppure un fluido costituito in genere da una miscela di acqua con una percentuale del 3-5% di bentonite (fango bentonitico). La bentonite è un argilla di origine vulcanica molto plastica (Ip =50 100). Il fango bentonitico è caratterizzato da un peso di volume di poco superiore a quello dell acqua e da tixotropia, ovvero da una viscosità molto elevata in stato di quiete e molto minore in stato di moto. Mantenendo il livello del fango superiore a quello della falda si impedisce l entrata dell acqua nel foro e se ne assicura la stabilità. Tuttavia sulla superficie del foro viene a formarsi una pellicola impermeabile che non consente l esecuzione di prove di permeabilità e di misure piezometriche. I risultati di una perforazione di sondaggio vengono riportati in una scheda stratigrafica ove, oltre ai dati generali relativi al cantiere e alle attrezzature impiegate, è rappresentata graficamente la successione degli strati con la relativa descrizione, la profondità della falda, la profondità dei campioni estratti, la profondità ed i risultati delle prove eseguite nel corso della perforazione.

32 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Esempio di scheda stratigrafica Cassetta stratigrafica

33 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Gli apparecchi per il prelievo di campioni a disturbo limitato o indisturbati dai fori di sondaggio sono detti campionatori e devono essere scelti in relazione alle caratteristiche del terreno che si intende campionare. Per la determinazione delle caratteristiche meccaniche il campione deve avere dimensioni minime pari a: diametro 100 mm, lunghezza 600 mm. A seconda delle caratteristiche geometriche e delle modalità di impiego i campionatori possono essere classificati in: o campionatori a parete grossa, infissi staticamente o dinamicamente (Reynolds) o campionatori a parete sottile a tubo aperto, infissi staticamente (Shelby) o campionatori a parete sottile a pistone, infissi staticamente a comando meccanico, o a comando idraulico (Osterberg) o campionatori a parete sottile continui (Kiellman) o campionatori per campioni di grandi dimensioni (Sherbrooke e Laval) o campionatori a rotazione a doppia parete (Denison o Mazier).

36 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio I campioni estratti durante la perforazione possono avere diverso grado di disturbo in funzione sia della tecnica e degli strumenti utilizzati per il prelievo, sia della natura del terreno stesso. In particolare con gli usuali mezzi e tecniche di prelievo non è possibile estrarre campioni indisturbati di terreno incoerente. Per i campioni di terreno si distinguono 5 classi di qualità, crescente da Q1 a Q5, ottenibili con campionatori e terreni di tipo diverso. Classi di qualità dei campioni Classi di qualità dei campioni ottenibili con campionatori di tipo diverso Prelievo di campioni di buona qualità

37 INDAGINI IN SITO: Perforazioni di sondaggio Effetti del campionamento Nel prelievo di un campione dal terreno esistono numerosi fattori che producono un disturbo più o meno marcato del materiale rispetto alle condizioni che esso conosce in sito. In particolare, prenderemo in esame i seguenti fattori: alterazione dello stato tensionale (totale ed efficace); effetti della perforazione; effetti del prelievo (infissione ed estrazione del campionatore). Il primo fattore è sempre presente (inevitabile); gli altri due dipendono dalle modalità di prelievo del campioni dal foro di sondaggio e possono essere, se non eliminati, quanto meno minimizzati seguendo opportune procedure.

38 INDAGINI IN SITO: le prove penetrometriche Le prove penetrometriche si fondano sull'idea che la resistenza opposta dal terreno alla penetrazione di uno strumento dipenda dalle sue caratteristiche meccaniche (soprattutto dalla sua resistenza, dato che la penetrazione è un fenomeno di rottura) oltre che dallo stato del materiale. Si distingue tra: prove penetrometriche dinamiche con campionatore Raymond (Standard Penetration Test o SPT); con punta conica (Standard Cone Penetration Test o SCPT); continua (Dynamic probing o DP) prove penetrometriche statiche con punta meccanica Begemann (cono "olandese", Cone Penetration Test o CPT); con punta elettrica (Cone Penetration Test o CPT); con punta piezometrica (piezocono o CPTU, la U serve per ricordare che nel corso della prova si misurano le pressioni interstiziali). I risultati delle prove penetrometriche possono essere utilizzati per indagare: profilo stratigrafico; grado di sovraconsolidazione (OCR); stato di addensamento (D r ); resistenza in tensioni totali (c u ); resistenza in tensioni efficaci (j'); deformabilità in tensioni totali (E u ); deformabilità in tensioni efficaci (E'); caratteristiche idrauliche (C v ).

40 INDAGINI IN SITO: le prove SPT La prova SPT, ideata negli Stati Uniti nel 1972, consiste nel far cadere un maglio, del peso di 63.5 kg, da un altezza di 760 mm, su una testa di battuta fissata alla sommità di una batteria di aste alla cui estremità inferiore è avvitato il campionatore di dimensioni standardizzate (Raymond). La prova viene eseguita al fondo di un foro di sondaggio spinto alla profondità desiderata. Le prove SPT permettono la ricostruzione del profilo stratigrafico mediante riconoscimento diretto dei terreni recuperati all interno del campionatore.

41 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Il numero di colpi necessario per una penetrazione del campionatore pari a 300 mm (dopo l eventuale penetrazione quasi-statica per gravità e dopo 150 mm di infissione dinamica per il posizionamento) è il dato assunto come indice della resistenza alla penetrazione (Nspt): N SPT = N 2 + N 3

42 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Se con N 2 + N 3 = 100 non si raggiunge l avanzamento di 30 cm, si dice che la prova è andata a rifiuto, l infissione è sospesa e la prova è considerata conclusa, annotando la relativa penetrazione. Al termine di ciascuna determinazione il campionatore Raymond viene riportato in superficie per consentire l approfondimento del foro e per recuperare il campione che è di classe Q2 (al massimo Q3). Limitazioni esecutive: poco attendibile per terreni ghiaiosi per interferenze tra campionatore Raymond e particelle grossolane (ricorso alle prove LPT).

43 INDAGINI IN SITO: le prove SPT VANTAGGI può essere eseguita in qualunque tipo di terreno, anche se il campo di impiego ottimale è relativo ai terreni sabbiosi consente il riconoscimento diretto dei terreni attraversati esistono un gran numero di correlazioni empiriche e di metodi di progetto basati sulla misura di N SPT (grande diffusione, uso lungo e documentato) SVANTAGGI si tratta di una misura discontinua bisogna eseguire un foro di sondaggio si riscontra una leggera dipendenza dei risultati della prova dalle modalità di esecuzione del foro nei terreni a grana fina, le operazioni di battitura inducono la generazione di elevate sovrappressioni interstiziali.

44 INDAGINI IN SITO: le prove SPT I risultati di una prova SPT sono influenzati da alcuni fattori che possono essere suddivisi in tre gruppi principali: 1. tecnica di perforazione (metodo di sostegno del foro, metodo di avanzamento del foro, diametro del foro); 2. attrezzatura utilizzata per l esecuzione della prova SPT (dispositivo di battitura comprendente la testa di battitura in acciaio, il maglio e il dispositivo di rilascio, caratteristiche del campionatore); 3. procedura di esecuzione della prova (penetrazione iniziale, infissione preliminare, infissione vera e propria, frequenza di battitura). In particolare esistono numerosi dati relativi all influenza del diametro del foro sulla resistenza alla penetrazione. Skempton (1986) ha suggerito di correggere i valori di N SPT ottenuti in fori di grande diametro attraverso un coefficiente correttivo, C d, i cui valori sono tabellati: N SPT corretto = N SPT misurato C d

45 INDAGINI IN SITO: le prove SPT o Per quanto riguarda l influenza dell attrezzatura sulla resistenza alla penetrazione si è proposto di valutare l efficienza del sistema di infissione mediante una misura dell energia effettivamente ceduta dal maglio alle aste. Essa viene espressa attraverso il cosiddetto rendimento energetico, ER, che rappresenta il rapporto tra l energia effettivamente ceduta dal maglio alle aste e l energia potenziale teorica del maglio. o Molti ricercatori hanno misurato l energia effettivamente ceduta dal maglio alle aste in diversi sistemi di infissione e trovato una notevole variabilità. o Per tenere conto di questa osservazione, Seed et al. (1985) hanno suggerito che il numero di colpi dell SPT sia corretto rispetto ad un valore di riferimento che corrisponde al 60% dell energia potenziale del maglio: N 60 = N SPT (ER/0.60) perché la maggior parte delle misure effettuate su sistemi di infissione tradizionali, in base ai quali sono state stabilite le correlazioni empiriche adottate nella pratica progettuale, mostrano che il valore medio dell energia effettivamente ceduta è pari al 60% dell energia potenziale teorica del maglio.

46 Utilizzo dei risultati La prova SPT appartiene a quel gruppo di prove in sito durante le quali il terreno segue dei percorsi degli sforzi efficaci diversi ed i risultati della prova possono essere correlati solo empiricamente con le specifiche proprietà del terreno in sito. Ne consegue che è necessario essere consci delle molte limitazioni di tali correlazioni, a causa dei molti fattori che influiscono sul comportamento non lineare e plastico dei terreni naturali: Composizione mineralogica Sforzi agenti in sito Storia dello stato tensionale e deformazionale Struttura Cementazione INDAGINI IN SITO: le prove SPT Resistenza alla frantumazione dei grani sottoposti agli elevati sforzi necessari per la penetrazione Viene quindi considerato principalmente solo l approccio indiretto, cioè l interpretazione dei risultati per la stima dei parametri geotecnici, accennando solo per i cedimenti dei depositi sabbiosi alla correlazione diretta più nota (Burland et al., 1977).

47 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Utilizzo dei risultati: Sabbie CORRELAZIONI DENSITA RELATIVA RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE (DR-NSPT) Il numero di colpi NSPT è un indice della resistenza (di picco) del terreno. Ne deriva che correlazioni dirette tra N SPT e angolo di attrito siano concettualmente sbagliate, perché esse devono contenere anche una dipendenza dalla tensione efficace. Nei terreni a grana grossa, tuttavia, l'angolo di attrito al picco, φ p, non è una proprietà del materiale ma un parametro che dipende dallo stato in cui si trova il materiale (mentre è una proprietà del materiale l'angolo di attrito a volume costante, φ cv, o di stato critico). In particolare l'angolo di attrito di picco cresce all'aumentare della dilatanza e poiché quest'ultima dipende dallo stato di addensamento e dal livello tensionale è lecito attendersi che l'angolo di attrito al picco cresca all'aumentare della densità relativa e diminuisca al crescere del livello tensionale (efficace). Allo stato attuale, pertanto, si preferisce correlare NSPT alla densità relativa e poi da questa e dallo stato tensionale efficace risalire all'angolo di attrito al picco. Le prime correlazioni tra la densità relativa ed N SPT sono state introdotte da Terzaghi e Peck (1948), nell'ambito di un metodo di dimensionamento delle fondazioni dirette. Successivamente Gibbs e Holtz (1957) hanno mostrato che la resistenza alla penetrazione sia influenzata non solo dalla densità relativa ma anche dalla tensione verticale efficace, suggerendo la correlazione:

48 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Gibbs e Holtz (1957) Valida per sabbie quarzose, non cementate, moderatamente compressibili. In cui pa è la pressione atmosferica (pa=100 se σ v0 è espresso in kpa)

49 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Gibbs e Holtz (1957)

50 Meyerhof (1957) INDAGINI IN SITO: le prove SPT

51 Bazaraa (1967) INDAGINI IN SITO: le prove SPT Relazione più adatta a sabbie sovraconsolidate o costipate in cantiere.

52 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Skempton (1986)

53 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Yoshida e Kokusho (1988)

54 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Yoshida e Kokusho (1988)

55 INDAGINI IN SITO: le prove SPT CORRELAZIONI DIRETTE ANGOLO DI ATTRITO EFFICACE RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE (φ NSPT ) De Mello (1971) Valida per sabbie quarzose, non cementate, moderatamente compressibili. Consente la valutazione dell angolo di attrito φ in base al valore di NSPT e dello sforzo verticale efficace σ v0 (tiene quindi in considerazione l influenza del peso del terreno sovrastante). E tra le più utilizzate essendo una correlazione diretta tra NSPT e φ e non derivata dalla DR, evitando le approssimazioni dovute al passaggio.

56 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Peck, Hanson e Thornburn (1974) approssimabile con l equazione di Wolff (1989)

57 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Peck, Hanson e Thornburn (1974) approssimabile con l equazione di Wolff (1989)

58 Schmertmann (1975) INDAGINI IN SITO: le prove SPT

59 INDAGINI IN SITO: le prove SPT CORRELAZIONI INDIRETTE ANGOLO DI ATTRITO EFFICACE RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE (φ NSPT ) Schmertmann (1977) Stima indiretta dell angolo di attrito efficace φ a partire dalla densità relativa DR precedentemente stimata dai risultati delle prove SPT per differenti granulometrie

60 INDAGINI IN SITO: le prove SPT L esistenza stessa di molte correlazioni è un chiaro segno delle incertezze e delle approssimazioni insite nelle procedure empiriche di stima. Per tale motivo può essere opportuno confrontare i valori stimati con le diverse correlazioni ed utilizzare come valore di progetto dell angolo di resistenza la taglio di picco di uno strato di sabbia, la mediana delle stime, escludendo eventuali valori anomali. Si tenga presente che poiché il terreno non è omogeneo, i valori di NSPT ottenuti nella stessa formazione possono anche essere sensibilmente diversi tra loro, e che la presenza di ciottoli e ghiaia può determinare valori di NSPT errati e inaffidabili.

61 INDAGINI IN SITO: le prove SPT I risultati delle prove SPT sono anche adoperati nella progettazione diretta e nel calcolo dei cedimenti delle fondazioni superficiali. Per quanto appena espresso, questo genere di correlazioni sono applicabili solo per la progettazione di fondazioni superficiali (ossia per un intervallo limitato di σ v). Burland, Broms e De Mello (1977) hanno proposto un metodo per la previsione del cedimento sulla base dei risultati di prove SPT, elaborando a tal fine oltre 200 casi di osservazione del cedimento di opere in vera grandezza (edifici, serbatoi, rilevati) fondati su terreni a grana grossa. Gli autori ritengono che sia possibile assegnare dei limiti superiori al rapporto cedimento/ carico ammissibile, funzione della larghezza della fondazione (B), per tre caratteristiche di addensamento della sabbia basate sul valore di NSPT. Il campo di variabilità di questo metodo sembra essere fra 0,5 ed 1,5 volte il valore massimo ricavabile dal grafico. Il metodo sembra particolarmente attendibile per B > 3 m.

62 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Burland, Broms e De Mello (1977)

63 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Terreni coesivi: Stima della resistenza al taglio non drenata (Cu) In questa categoria di terreni sono compresi: sabbie limose fini, limi e argille. Poiché la penetrazione avviene a percussione (prova dinamica), nei terreni a grana fine durante la prova nascono sovrappressioni interstiziali e la rottura avviene in condizioni non drenate. Pertanto non è possibile una stima dei parametri di resistenza la taglio (c e tanφ ), ma eventualmente e con molta incertezza soltanto della resistenza al taglio non drenata Cu. La resistenza al taglio non drenata di un argilla non sensitiva può essere approssimativamente stimata dai risultati di prove SPT con la correlazione di Stroud (1974): In cui f1 è un coefficiente funzione dell indice di plasticità e mediamente vale 4,4 kpa.

64 INDAGINI IN SITO: le prove SPT Rappresentazione NSPT - Profondità

66 INDAGINI IN SITO: le prove CPT La prova penetrometrica statica CPT (Cone Penetration test) è un mezzo d indagine molto diffuso in Italia poiché, ad un costo modesto, permette l identificazione della successione stratigrafica lungo una verticale e la stima di molti parametri geotecnici sia in terreni a grana fine che in terreni a grana grossa (ghiaie escluse). La prova è autoperforante, ovvero non richiede l esecuzione di un foro di sondaggio e consiste nell infissione a pressione nel terreno a partire dal p.c. e alla velocità costante di 20 mm/s, di una punta conica standardizzata con apertura di 60 e diametro di 35.7 mm, collegata al dispositivo di spinta mediante una batteria di tubi. Il contrasto necessario ad infiggere il penetrometro è di norma ottenuto col peso dell autocarro, eventualmente zavorrato, su cui è installata l attrezzatura.

67 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Il penetrometro statico ha subito nel tempo modifiche e miglioramenti ed attualmente ne esistono due tipi: 1. Il penetrometro meccanico con manicotto d attrito; 2. Il penetrometro elettrico. Nel penetrometro meccanico con manicotto d attrito (punta Begemann), la punta conica è solidale con una batteria di aste coassiali ad una tubazione di rivestimento. La parte finale, ovvero più prossima alla punta, della tubazione di rivestimento è mobile e costituisce il manicotto d attrito.

68 INDAGINI IN SITO: le prove CPT FASI DELLA PROVA 1. Inizialmente, esercitando una forza F1 sulle aste interne collegate alla punta, si fa avanzare a velocità costante la sola punta per una lunghezza di 40 mm. L area della punta è: e la pressione media alla punta durante l avanzamento (resistenza alla punta) vale: 2. Al termine della corsa di 40 mm, viene agganciato il manicotto d attrito, che ha una superficie laterale A s = 150 cm 2, e si continua a far avanzare la punta a velocità costante per altri 40 mm, che nella penetrazione trascina con se il manicotto. Se si indica con F2 la forza necessaria a far avanzare il penetrometro in questa seconda fase, e se si fa l ipotesi che la resistenza di punta non sia variata rispetto al tratto precedente, è possibile calcolare la tensione tangenziale media lungo la superficie del manicotto (resistenza laterale locale) con la relazione:

69 INDAGINI IN SITO: le prove CPT 3. In una terza fase la spinta viene applicata alle aste esterne che, a punta ferma, raggiungono prima il manicotto e poi la punta, e infine fanno avanzare l intero sistema. Le operazioni descritte sono ripetute ogni 20 cm. Il penetrometro meccanico può operare fino a profondità dell ordine di 40 m ed oltre. I risultati della prova sono rappresentati in grafici aventi in ordinata la profondità e in ascissa le misure di qc ed fs ogni 20 cm.

70 INDAGINI IN SITO: le prove CPT I principali limiti del penetrometro meccanico derivano dal fatto che le resistenze alla penetrazione sono dedotte da misure di forze eseguite in superficie, e quindi sono affette da errori dovuti al peso proprio, alla deformabilità delle aste ed agli attriti tra le varie parti dell attrezzatura. Inoltre la profondità delle misure è desunta dalla lunghezza delle aste e quindi soggetta ad errori derivanti dalla deviazione dalla verticale. Infine le misure di qc ed fs non sono indipendenti tra loro e si riferiscono a profondità leggermente diverse, per cui la presenza di terreni fittamente stratificati può condurre ad errori di stima.

71 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Nel penetrometro elettrico, naturale evoluzione del penetrometro meccanico, le misure di resistenza alla punta e resistenza laterale locale sono eseguite localmente ed in modo tra loro indipendente con trasduttori elettrici che inviano un segnale alla centralina posta in superficie. Un inclinometro alloggiato nelle aste permette di misurare la deviazione dalla verticale e di correggerne gli errori conseguenti. I dati sono acquisiti in forma numerica e rappresentati graficamente durante l esecuzione della prova. I limiti risiedono nel maggior costo e negli errori derivanti dalle componenti elettroniche ( sensibilità alle variazioni di temperatura, calibrazione, )

72 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI L analisi dei risultati di prove CPT consente in primo luogo il riconoscimento litologico dei terreni attraversati e la ricostruzione della successione stratigrafica. Questa prima fase interpretativa è fondamentale e necessaria per ogni ulteriore interpretazione geotecnica. Infatti durante la prova vengono misurate le resistenze di punta e di attrito laterale opposte dal terreno nelle condizioni di rottura determinate dalla penetrazione dello strumento con una velocità costante di 2 cm /sec. A seconda della permeabilità del terreno la rottura avviene in condizioni drenate o non drenate. Pertanto il modello interpretativo del fenomeno della rottura è condizionato dal tipo di terreno.

73 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI:Riconoscimento stratigrafico La resistenza di punta offerta da un terreno sabbioso è, di norma, nettamente superiore alla resistenza offerta da terreni argillosi di media e bassa consistenza. La carta di classificazione più accreditata per il penetrometro statico meccanico è quella di Schmertmann (1978) che ha in ascissa il rapporto adimensionale: detto rapporto d attrito o delle resistenze, in scala naturale, ed in ordinata la resistenza di punta qc in scala logaritmica. Per il penetrometro elettrico si può fare riferimento alla carta di Robertson e Wride (1998), che ha in ascissa il rapporto d attrito normalizzato: e in ordinata la resistenza di punta normalizzata: entrambe le variabili in scala logaritmica. L esponente n della resistenza di punta normalizzata ha valori compresi tra 1 (terreni argillosi) e 0,5 (sabbie pulite).

74 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Schmertmann (1978)

75 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Robertson e Wride (1998)

76 INDAGINI IN SITO: le prove CPT La carta di Robertson è suddivisa in 9 zone cui corrispondono altrettante classi di terreno. Le curve che delimitano le zone da 2 a 7 possono essere approssimate, nel piano bilogaritmico, con archi di centri concentrici. Il raggio dei cerchi è l indice del tipo di terreno, Ic; le coordinate del centro comune valgono : x0=-1,22 ; y0= 3,47. Ne consegue che per identificare i terreni dalle classi 2 a 7 (sono escluse le classi 1,8 e 9) è sufficiente calcolare l indice del tipo di terreno Ic con la seguente relazione: e verificare la classe di appartenenza.

79 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Stima della densità relativa, Dr L avanzamento del penetrometro statico in terreni sabbiosi avviene generalmente in condizioni drenate, ed è quindi possibile interpretare i risultati in termini di tensioni efficaci. Per la stima dei parametri geotecnici in terreni sabbiosi si utilizza comunemente la densità relativa. Le correlazioni fra resistenza penetrometrica e densità relativa dei terreni sabbiosi sono state studiate con prove di laboratorio in camera di calibrazione. Quest ultima è un apparecchiatura molto costosa e sofisticata che consiste in una cella triassiale di grandi dimensioni, in cui è possibile eseguire prove geotecniche in sito di vario tipo, con strumenti in vera grandezza e in condizioni al contorno controllate. Una delle correlazioni più note e utilizzate è quella di Jamiolkowski et al. (1985), valida per sabbie silicee, non cementate, NC, : nella cui rappresentazione grafica è evidenziata l influenza della compressibilità che può condurre ad un errore di +/- 12% sulla stima di Dr

80 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Jamiolkowski et al. (1985)

81 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Un altra correlazione più generale è quella di Baldi et al (1986): in cui C0, C1 e C2 sono costanti, qc è la resistenza alla punta, σ (espressa anch essa in kpa) è la tensione efficace (verticale o media) alla profondità della misura.

82 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Stima dell angolo di resistenza al taglio di picco, φ Dopo aver stimato la densità relativa della Dr, l angolo di resistenza al taglio di picco può essere stimato con le correlazioni proposte da Schmertmann (1977) per differenti granulometrie (slide 59). Una correlazione diretta tra qc, σ v0,e φ, ottenuta con prove in camera di calibrazione, valida per sabbie quarzose non cementate è stata proposta da Robertson e Campanella (1983) ed è ben rappresentata dall equazione:

83 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Modulo di Young Poiché la prova CPT misura la resistenza a rottura del terreno, le correlazioni per la stima della rigidezza del terreno dai risultati di tale tipo di prova hanno necessariamente carattere empirico. Una semplice correlazione fra la resistenza penetrometrica di punta, qc, ed il modulo di Young secante, drenato, per un livello di sforzo mobilitato pari al 25% di quello a rottura, valida per sabbie quarzose NC è stata proposta da Robertson e Campanella (1983): Un altra correlazione proposta per la stima del modulo di Young per una deformazione di circa lo 0,1 %, in funzione dell indice di terreno Ic e della tensione verticale efficace per sabbie silicee non cementate è quella di Robertson (2010):

84 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI SABBIOSI: Modulo di taglio La stima del modulo di taglio a bassi livelli di deformazione G0 delle sabbie e della velocità di propagazione delle onde di taglio Vs può essere fatta con le relazioni di Robertson et al. (1992): Un altra equazione proposta per la stima di G0 da prove CPT è stata proposta da Rix e Stoke (1992):

85 INDAGINI IN SITO: le prove CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI IN TERRENI A GRANA FINE L avanzamento del penetrometro statico in terreni a grana fine saturi avviene in condizioni non drenate. Resistenza al taglio non drenata Cu Una stima della resistenza al taglio non drenata, Cu, può essere eseguita con la seguente equazione: Il coefficiente NK ha valori compresi tra 5 e 21, cresce con l indice di plasticità e viene assunto di norma pari a 14 per penetrometro con punta elettrica e a 20 per penetrometro meccanico. Pressione di consolidazione, σ c, e grado di sovraconsolidazione, OCR La stima della pressione di consolidazione, σ c, e del grado di sovraconsolidazione, OCR può essere effettuata con le seguenti relazioni proposte da Mayne e Kemper (1988):

86 INDAGINI IN SITO: le prove CPT Modulo edometrico Il modulo edometrico, M, ovvero il modulo di deformazione in condizioni di espansione laterale impedita, può essere approssimativamente stimato con la relazione di Robertson (2009):

88 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU Il piezocono è un penetrometro statico a punta elettrica dotato di un elemento poroso di ceramica fine o di acciaio, detto filtro, di norma posizionato alla base della punta conica, che permette di misurare e registrare oltre ai parametri di resistenza, qc ed fs, anche la pressione interstiziale, u2, sia durante l avanzamento che a penetrometro fermo. La misura corretta della pressione u2 è condizionata dalla completa saturazione del filtro. La possibilità di misurare la pressione interstiziale ha considerevolmente aumentato la capacità interpretativa della prova nei terreni saturi sotto falda. Infatti durante la penetrazione nei terreni sabbiosi la rottura avviene in condizioni drenate (u2=u0), mentre nei terreni a grana fine si generano delle sovrappressioni interstiziali, Δu, e quindi viene misurata la pressione u2=u0+ Δu

89 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU

90 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU Per l interpretazione della prova occorre utilizzare la resistenza di punta corretta, qt, che tiene conto della differenza tra l area della punta, Ac, e l area della parte del cono che agisce direttamente sulla cella di carico, An. Il valore di qt è dato dall equazione: Il valore del rapporto delle aree, a, si determina sperimentalmente per ogni piezocono ed è in genere compreso tra 0,55 e 0,90. Si definisce rapporto delle pressioni interstiziali il parametro: in cui σv0 rappresenta la tensione verticale totale presente in sito.

92 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU Per l identificazione litologica ed il riconoscimento stratigrafico dai risultati di prove con piezocono può essere utilizzato il grafico di Robertson (1990), nel quale i numeri dei campi corrispondono alle descrizioni fornite nella slide 75. Tutte le correlazioni proposte per la prova CPT valgono anche per la prova CPTU, con l avvertenza di sostituire qc con qt.

93 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU La misura della pressione interstiziale durante la penetrazione permette anche un interpretazione del fenomeno della rottura in termini di tensioni efficaci e quindi stima dei parametri c e φ anche per i terreni a grana fine. La correlazione proposta da Mayne (2006), per terreni a grana fine NC o debolmente OC, valida per 20 φ 45 e per 0,1 Bq 1,0 è la seguente:

94 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU Il piezocono permette l esecuzione di prove di dissipazione e quindi la stima delle caratteristiche di permeabilità e di consolidazione del terreno. Infatti, se durante la penetrazione in un terreno a grana fine saturo e sotto falda, la punta viene arrestata ad una data profondità, si può registrare la dissipazione della sovrappressione interstiziale nel tempo. La dissipazione ha inizio con l arresto dell infissione e la registrazione nel tempo della pressione interstiziale u(t). Essa inizia a decrescere dal valore u(i) verso il valore di equilibrio corrispondente alla pressione idrostatica u(0). Si indica con t50 il tempo corrispondente al 50% della dissipazione.

96 INDAGINI IN SITO: le prove CPTU In funzione del t50 è possibile stimare il coefficiente di consolidazione e la conducibilità idraulica. In particolare per piezocono con filtro posizionato alla base (il più diffuso in Italia) il coefficiente di consolidazione orizzontale può essere stimato con l equazione: La permeabilità viene ricavata utilizzando il grafico di Parez e Fauriel (1998) o con l equazione: