UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sezione geotecnica ( INDAGINI IN SITO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sezione geotecnica ( INDAGINI IN SITO Corso di Geotecnica Ingegneria Edile, Johann Facciorusso johannf@dicea.unifi.it

2 Programmazione delle indagini INDAGINI GEOTECNICHE Ogni opera di ingegneria civile interagisce con una parte del sottosuolo, detta volume significativo. Il comportamento dell opera dipende: dai carichi applicati (noti) dalla geometria e dalle proprietà fisico-meccaniche dell opera stessa (noti e/o modificabili in fase di progetto) dalla geometria e dalle proprietà fisico-meccaniche del volume significativo di sottosuolo (da determinare e in genere immodificabili) Ai fini della definizione del modello geotecnico da assumere nella progettazione, le indagini in sito consentono di: identificare la geometria del volume significativo di sottosuolo (condizioni stratigrafiche e di falda) caratterizzare, congiuntamente con le indagini di laboratorio, il comportamento meccanico delle diverse formazioni presenti (caratteristiche di resistenza e di deformabilità) 2/75

3 INDAGINI IN SITO Programmazione delle indagini Le indagini geotecniche in sito hanno vantaggi che consentono di superare i limiti delle prove di laboratorio e allo stesso tempo presentano svantaggi che sono in parte colmati dalle potenzialità delle prove di laboratorio. Pertanto i due tipi di prove non sono alternativi ma complementari. VANTAGGI: sono insostituibili per il riconoscimento stratigrafico interessano grandi volumi di terreno molte di esse consentono di tracciare profili pressoché continui con la profondità delle grandezze misurate sono più rapide ed economiche il disturbo procurato sul terreno circostante è pressoché trascurabile sono quasi l unico mezzo per caratterizzare dal punto di vista meccanico i terreni incoerenti (il cui campionamento indisturbato è molto difficile ed economicamente oneroso) SVANTAGGI: le condizioni al contorno (condizioni di carico, vincolo e di drenaggio) sono difficilmente individuabili e incerte la modellazione della prova è spesso incerta e schematica l interpretazione è talvolta affidata a relazioni empiriche o semiempiriche 3/75

4 Programmazione delle indagini CORRELAZIONI Per convertire i valori delle grandezze misurate con prove in sito nei 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 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). 4/75

5 Programmazione delle indagini ESTENSIONE DELLE INDAGINI Le indagini geotecniche vanno condotte su quella parte di sottosuolo che verrà influenzata dalla costruzione dell opera o che ne influenzerà il comportamento (ovvero il volume significativo). Nel caso di terreno omogeneo, per le più frequenti opere geotecniche (AGI, 1977): 5/75

6 Programmazione delle indagini ESTENSIONE DELLE INDAGINI 6/75

7 Programmazione delle indagini APPROFONDIMENTO DELLE INDAGINI Il grado di approfondimento dell indagine geotecnica nel volume significativo del sottosuolo dipende: dalla fase di progettazione (di fattibilità, definitiva o esecutiva) dall importanza dell opera dalla complessità delle condizioni stratigrafiche e geotecniche Secondo l Eurocodice per l ingegneria geotecnica (EC7) le opere da realizzare possono essere classificate in tre categorie geotecniche (GC) di importanza crescente, cui ovviamente corrispondono gradi di approfondimento crescenti dell indagine geotecnica. 7/75

8 Programmazione delle indagini GC1 GC2 GC3 CATEGORIE GEOTECNICHE SECONDO L EUROCODICE EC7 Strutture semplici caratterizzate da rischi molto limitati Esempi: - fabbricati di piccole dimensioni con carichi massimi alla base dei pilastri di 25,5 kn o distribuiti alla base di murature di 10 kn/m, - muri di sostegno o scavi sbatacchiati di altezza non superiore a 2m, scavi di piccole dimensioni per drenaggi o posa di fognature, etc.. Tutti i tipi di strutture e fondazioni convenzionali che non presentano particolari rischi. Esempi: - fondazioni superficiali, - fondazioni a platea, - pali, - opere di sostegno delle terre o delle acque, - scavi, - pile di ponti, - rilevati e opere in terra, - ancoraggi e sistemi di tiranti, - gallerie in rocce dure, non fratturate e non soggette a carichi idraulici elevati Strutture di grandi dimensioni, strutture che presentano rischi elevati, strutture che interessano terreni difficili o soggette a particolari condizioni di carico, strutture in zone altamente sismiche 8/75

9 Programmazione delle indagini Per le opere di categoria GC1 che ricadono in zone note, con terreni di fondazione relativamente omogenei e di buone caratteristiche geotecniche, ove già esistono strutture analoghe che hanno dato buona prova di sé, etc.., l indagine può essere limitata alla raccolta delle informazioni esistenti, e la relazione geotecnica (sempre necessaria) può giustificare le scelte progettuali su base comparativa, per esperienza e similitudine. Al contrario per opere di categoria GC3 occorre un piano di indagine molto approfondito e dettagliato, curato da specialisti del settore, che si estenda nel tempo (prima, durante e dopo la realizzazione dell opera), comprendente prove speciali, da affidare a ditte o enti altamente qualificati, mirate all analisi dei problemi specifici e particolari dell opera in progetto. In questa sede ci limitiamo a considerare le indagini geotecniche per opere di categoria GC2. 9/75

10 Programmazione delle indagini CARATTERIZZAZIONE STRATIGRAFICA Per identificare le condizioni stratigrafiche e di falda all interno del volume significativo di sottosuolo possono essere eseguite: prove geofisiche scavi e trincee sondaggi e prove continue (o quasi) lungo verticali di esplorazione 1. Scavi e trincee di esplorazione mettono in luce ampie sezioni verticali del sottosuolo (consentono una descrizione di dettaglio della successione stratigrafica ed il prelievo di campioni anche di grandi dimensioni con minimo disturbo) ma sono caratterizzati da una modesta profondità di indagine. 2. I sondaggi stratigrafici e geotecnici consentono di verificare direttamente la successione stratigrafica lungo una verticale di esplorazione, di prelevare campioni per le analisi di laboratorio, e di eseguire prove meccaniche e idrauliche a fondo foro, durante la perforazione. 3. Le prove continue (o quasi) lungo verticali di esplorazione (CPT, SPT, DMT, etc.) consentono di identificare la successione stratigrafica e di stimare alcune proprietà geotecniche in modo indiretto mediante correlazioni con le grandezze misurate. 10/75

11 Dr. Ing. Johann Facciorusso Programmazione delle indagini DENSITÀ DELLE INDAGINI Nella maggior parte dei casi, le informazioni sulla successione stratigrafica e sulle proprietà meccaniche e idrauliche dei terreni presenti nel sottosuolo si riferiscono a verticali di esplorazione. Tipologia di prova, numero, profondità e localizzazione delle verticali di esplorazione devono essere stabiliti in base alla forma e all estensione del volume significativo, ed al livello di dettaglio richiesto, Costo dell'indagine tenendo conto anche di: Costo totale M Costi tipologia e importanza dell opera in progetto complessità e variabilità del terreno di fondazione rapporto costi/benefici Costo di costruzione Minimo costo Massimo Livello di approfondimento approfondimento Approfondimento dell'indagine11/75 geotecnica

12 Programmazione delle indagini AMPIEZZA ORIENTATIVA DELL INDAGINE GEOTECNICA Tipo di opera Distanza fra i sondaggi (m) Stratificazione Uniforme Media Caotica Numero minimo di verticali di esplorazione Edificio di 12 piani Edificio a molti piani Pile e spalle di ponti, torri per ciascuna fondazione Strade Gallerie: progetto di massima progetto esecutivo /75

13 TIPI DI INDAGINI Programmazione delle indagini I mezzi di indagine in sito per l identificazione condizioni stratigrafiche e di falda del volume significativo di sottosuolo e per la caratterizzazione meccanica delle formazioni presenti, sono molti e di diversa complessità. I 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 con piezocono (CPTU), le prove dilatometriche (DMT). 13/75

14 Perforazioni di sondaggio SONDAGGI STRATIGRAFICI E GEOTECNICI Esistono due tipi di sondaggio: sondaggio stratigrafico sondaggio geotecnico 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. Si parla di sondaggio geotecnico quando e 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. Durante la perforazione è possibile installare apparecchi di misura quali piezometri, inclinometri, etc.. Con le perforazioni di sondaggio è possibile attraversare qualunque tipo di terreno, anche a grande profondità e sotto falda, ed eseguire indagini anche sotto il fondo di fiumi o del mare. 14/75

15 Perforazioni di sondaggio Il sondaggio può esser condotto: TIPI DI SONDAGGI a distruzione 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: a carotaggio continuo se si vuole identificare in dettaglio la successione Esistono diverse tecniche di perforazione : a percussione, a rotazione, con trivelle ad elica 15/75

16 Perforazioni di sondaggio TECNICHE DI PERFORAZIONE 16/75

17 Perforazioni di sondaggio SONDAGGI A CAROTAGGIO CONTINUO La tecnica di perforazione attualmente più utilizzata per i sondaggi a carotaggio continuo è a rotazione. Il terreno è perforato da un utensile spinto e fatto ruotare mediante una batteria di aste. La perforazione può avvenire a secco o con immissione di un fluido. L utensile di perforazione è un tubo d acciaio (carotiere) munito all estremità di una corona tagliente di materiale adeguato. Per evitare che il terreno campionato venga a contatto con la parte rotante e sia almeno parzialmente protetto dal dilavamento del fluido di circolazione, possono utilizzarsi carotieri a parete doppia, di cui solo quella esterna ruota. Le carote estratte nel corso del sondaggio sono sistemate in apposite cassette catalogatrici. Il diametro dei fori di sondaggio è in genere compreso tra 75 e 150mm. 17/75

18 Perforazioni di sondaggio Per assicurare la stabilità della parete e del fondo del foro, ove necessario, si utilizza: una batteria di tubi di rivestimento un fluido costituito in genere da una miscela di acqua con una percentuale del 35% di bentonite (fango bentonitico). Il fango bentonitico è caratterizzato da un peso specifico 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. Tali caratteristiche rendono il fango bentonitico particolarmente adatto non solo a sostenere le pareti e il fondo del foro durante l esecuzione ma anche a sollevare il materiale scavato verso la bocca del foro. N.B. Se si utilizza il fango bentonitico viene a formarsi una pellicola impermeabile sulla superficie del foro che non consente l esecuzione di prove di permeabilità e di misure piezometriche. 18/75

19 Perforazioni di sondaggio 19/75

20 Perforazioni di sondaggio 20/75

21 Perforazioni di sondaggio SCHEDA STRATIGRAFICA 21/75

22 Perforazioni di sondaggio CAMPIONI 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. Le principali cause di disturbo derivano: dall esecuzione del sondaggio (disturbo prodotto dalla sonda o dall attrezzo di perforazione) dall infissione ed estrazione del campionatore dalla variazione dello stato tensionale e nei provini sottoposti a prove di laboratorio: dal trasporto e dalla non perfetta conservazione del campione dalle operazioni di estrusione del campione dalla fustella dalla cavitazione e ridistribuzione del contenuto in acqua dalle operazioni di formazione del provino (ad esempio al tornio) dal montaggio nell apparecchiatura di prova. In particolare con gli usuali mezzi e tecniche di prelievo non è possibile estrarre campioni indisturbati di terreno incoerente. 22/75

23 Perforazioni di sondaggio Caratteristiche geotecniche determinabili CLASSI DI QUALITÀ DEI CAMPIONI Grado di qualità Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 a) profilo stratigrafico X X X X X b) composizione granulometrica X X X X c) contenuto d acqua naturale X X X d) peso di volume e) caratteristiche meccaniche (resistenza, deformabilità, etc..) X X X campioni disturbati o rimaneggiati disturbo limitato indisturbati 23/75

24 Perforazioni di sondaggio Q crescente A parità di accuratezza nel campionamento, la classe di qualità massima raggiungibile dipende dal tipo di terreno e di campionatore: A. campionatore pesante infisso a percussione B. campionatore a parete sottile infisso a percussione C. campionatore a parete sottile infisso a pressione D. campionatore a pistone infisso a pressione E. campionatore a rotazione a doppia parete con scarpa avanzata Tipo di terreno Tipo di campionatore A B C D E a) coesivi poco consistenti Q3 Q4 Q5 b) coesivi moderatamente consistenti o consistenti c) coesivi molto consistenti Q3 (Q4) Q2 (Q3) Q4 Q5 Q5 Q3 (Q4) d) sabbie fini al di sopra della falda Q2 Q3 Q3 Q5 Q3 (Q4) Q5 e) sabbie fini in falda Q1 Q2 Q2 Q2 (Q3) N.B. Si indicano tra parentesi le classi di qualità Q raggiungibili con campionamento molto accurato.

25 Prova SPT PROVA PENETROMETRICA DINAMICA (SPT) La prova penetrometrica dinamica S.P.T. (Standard Penetration Test) è la prova in sito più diffusa ed utilizzata nel mondo (semplicità operativa, basso costo, vasta letteratura per l interpretazione dei risultati). Viene determinata la resistenza offerta dal terreno alla penetrazione dinamica di un campionatore infisso a partire dal fondo di un foro di sondaggio o di un foro appositamente eseguito ( =60200 mm) e subordinatamente di prelevare piccoli campioni (disturbati) La prova S.P.T. consiste nel far cadere ripetutamente un maglio, del peso di 63,5 kgf, 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 un campionatore di dimensioni standardizzate. 25/75

26 MISURE SPT Prova SPT Durante la penetrazione vengono misurate: il numero di colpi di maglio N 1 necessario a produrre l infissione per i primi 15cm (tratto di avviamento) inclusa l eventuale penetrazione quasi statica per gravità, il numero di colpi di maglio N 2 necessario a produrre l infissione per altri 15cm, il numero di colpi di maglio N 3 necessario a produrre l infissione per ulteriori 15cm. Complessivamente, durante la prova, il campionatore sarà infisso di: =45cm maglio testa battuta di Si assume quale resistenza alla penetrazione il parametro: int = 35 mm est = 50 mm N SPT =N2+N3 26/75

27 Prova SPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Dato il carattere empirico dei metodi di interpretazione dei risultati della prova S.P.T. è assolutamente necessario seguire in modo scrupoloso la procedura di riferimento (ISSMFE, 1988). I risultati della prova sono infatti influenzati: dalle caratteristiche del campionatore dalle dimensioni delle aste dal sistema di battitura dalla tecnica di perforazione dalle dimensioni del foro N.B. Quando una o più di questi fattori vengono modificati rispetto al procedura standard, esistono degli opportuni fattori correttivi per il parametro N SPT (anche quando le misure vengono effettuate sotto falda). L indice N SPT è una misura indiretta dell energia necessaria a determinare la rottura del terreno. la resistenza al taglio ( f ) può essere stimata con una correlazione di tipo secondario con il valore di N SPT f = f(n SPT ) 27/75

28 Prova SPT Terreni a grana grossa: Rottura in condizioni drenate (o quasi) e c =0 1. Correlazioni tra DR e NSPT f = tg prop. v0 picco = f(dr) 0 1 N SPT DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% Gibbs e Holtz (1957) NSPT = f( v0 DR) Profondità della misura Campione disturbato ( 'v0 / pa) 2 3 in cui p a =p atm p a =100 se v0 (kpa) p a =1 se v0 (kgf/cm 2 ) 4 28/75

29 Prova SPT N DR 1,5 F ' v0 F 0,65 p a 0 1 Gibbs e Holtz (1957) SPT 2 N SP T 0,222 0,6 ' 16,8 p v0 a DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% Meyerhof (1957) D R 0,21 N SPT p N SPT ' v0 a 0, DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% ( 'v0 / pa) 2 ('v0 / pa) /75

30 Prova SPT N N SPT 0 1 Bazaara (1967) per sabbie sovraconsolidate o costipate SPT ' ' v ,1 v0 DR p con 0, 732 a p a ' ' v ,24 1,024 D v0 R p con 0,732 a N SP T p a 0 1 C N 2 1 p ' v0 a D R per sabbie fini N SPT Skempton (1987) DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% C N N SPT 60 3 C N 2 p 0 1 ' v0 a per sabbie grosse N SP T DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% ( 'v0 / pa) 2 ( 'v0 / pa) 2 ( 'v0 / pa) 2 3 0,2 DR = 40% 3 3 DR = 60% DR = 80% DR = 100% /75

31 Prova SPT Yoshida e Kokusho (1989) per sabbia fine per sabbia 75% - ghiaia 25% 0 1 D ' 0,14 ' 0, 14 0,57 0,57 v0 v0 R 0,22 NSPT 100 p D R 0,18 NSPT 100 p a a N SP T N SP T DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% ( 'v0 / pa) 2 ( 'v0 / pa) /75

32 Prova SPT Yoshida e Kokusho (1989) per sabbia 50% - ghiaia 50% per tutti i terreni granulari ' 0,13 0,44 ' 0, 12 v0 D R 0,25 NSPT 100 0,46 p D v0 R 0,25 NSPT 100 a p N SP T a N SP T DR = 20% DR = 40% DR = 60% DR = 80% DR = 100% ( 'v0 / pa) 2 ( 'v0 / pa) 2 3 DR = 20% 3 DR = 40% DR = 60% DR = 80% 4 DR = 100% 4 32/75

33 Prova SPT 2. Correlazioni tra edr L angolo di resistenza al taglio di picco può essere stimato in modo indiretto a partire dal valore della densità relativa precedentemente stimata dai risultati della prove SPT ' ( ) 28 0,14 Sabbia fine uniforme D R ' ( ) 31,5 0,115 ' ( ) 34,5 0,10 ' ( ) 38 0,08 D R D R D R Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradata Ghiaia media e fine e sabbia e ghiaia e poco limosa ' ( ) Schmertmann (1978) D R (%) Sabbia fine uniforme Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradata Ghiaia media e fine e sabbia e ghiaia poco limosa 33/75

34 Eurocodice 7 (sabbie silicee) Prova SPT D R Grana fine Grana media Grana grossa ( % ) Uniforme Ben gradata Uniforme Ben gradata Uniforme Ben gradata ' ( ) D R (%) grana fine uniforme grana fine ben gradata e grana media uniforme grana media ben gradata e grana grossa uniforme grana grossa ben gradata 34/75

35 Prova SPT ' Wolff (1989) 27,1 0,3 C N 0,00054 C N 2 N SPT N SPT C N 2 1 p ' v0 a per sabbie fini C N 3 2 p ' v0 a per sabbie grosse NSPT N SPT ('v0 / pa) 2 ('v0 / pa) /75

36 Prova SPT Terreni a grana fine: 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. f = f(n SPT ) c u f =cu Stroud (1974) f 1 N f = f(resistenza al taglio non drenata c u ) SPT Elevata dispersione c Hara et al. (1971) 0, 72 kpa 29 u N SPT N.B. correlazioni più incerte 36/75

37 Prova CPT PROVA PENETROMETRICA STATICA (CPT) La prova penetrometrica statica C.P.T. (Cone Penetration Test) è molto diffusa in Italia (costo modesto, permette l identificazione della successione stratigrafica lungo una verticale e la stima di molti parametri geotecnici). Può essere eseguita in tutti i terreni, escluse ghiaie e terreni duri. É autoperforante e consiste nell infissione a pressione nel terreno, a partire dal p.c., ed alla velocità costante di circa 2 cm/sec di una punta conica avente diametro 35.7 mm e angolo di apertura 60, collegata al dispositivo di spinta mediante una batteria di tubi. 37/75

38 Prova CPT PENETROMETRO STATICO Il penetrometro statico esiste attualmente in due versioni, con caratteristiche geometriche e procedure di prova normate a livello internazionale (ISSMFE, 1989): il penetrometro meccanico con manicotto d attrito il penetrometro elettrico Nei penetrometri meccanici con manicotto d attrito 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 di attrito.

39 Prova CPT Fasi operative 1) Inizialmente, esercitando una forza F 1 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: Fase 0) Fase 1) F1 A p =(p3,57 2 )/4 = 10 cm 2 La pressione media alla punta durante l avanzamento (resistenza di punta) vale: q c =F 1 /A p 2) Al termine della corsa di 40mm, viene agganciato il manicotto d attrito, che ha una superficie laterale: A s = 150 cm 2 39/75

40 Prova CPT Fase 2) 3) La punta continua a penetrare trascinandosi dietro anche il manicotto per altri 40 mm. Se si indica con F 2 la forza necessaria a fare 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: f s = (F 2 -F 1 )/A s 4) Poi 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. 5) Il procedimento viene ripetuto ogni 20cm e le misure di q c ef s effettuate vengono attribuite all intero strato attraversato. F2 Fase 3) 40/75

41 Prova CPT RISULTATI DI PROVA CPT 41/75

42 Prova CPT Vantaggi è uno strumento semplice e robusto può operare in un campo di terreni che va dalle argille alle sabbie grosse si possono raggiungere profondità dell ordine di 40m e oltre. Svantaggi le resistenze alla penetrazione sono dedotte da misure di forza eseguite in superficie (e quindi sono affette da errori dovuti al peso proprio e alla deformabilità delle aste, ed agli attriti tra le varie parti dell attrezzatura) la profondità delle misure è desunta dalla lunghezza delle aste e quindi soggetta ad errori derivanti dalla deviazione dalla verticale le misure di resistenza alla punta, q c, e di attrito laterale locale, f s, possono essere troppo rade (ogni 20 cm) specie per depositi fittamente stratificati, inoltre non sono indipendenti fra loro e si riferiscono a profondità leggermente diverse. 42/75

43 PENETROMETRO ELETTRICO Prova CPT Il penetrometro elettrico costituisce la naturale evoluzione del penetrometro meccanico e ne supera in parte i limiti. Nel penetrometro elettrico le misure di pressione alla punta e di tensione laterale locale sono eseguite localmente ed in modo fra 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. La frequenza delle misure può essere anche molto ridotta, tipicamente ogni 2-5 cm, e i dati sono direttamente acquisiti in forma numerica. I limiti risiedono nel maggiore costo dello strumento, e negli errori derivanti dalle componenti elettroniche (non linearità e isteresi delle celle di pressione, sensibilità alle variazioni di temperatura, calibrazione). 43/75

44 Prova CPT INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Riconoscimento stratigrafico L analisi dei risultati di prove C.P.T. consente in primo luogo il riconoscimento litologico dei terreni attraversati e la ricostruzione della successione stratigrafica Questa prima fase interpretativa è essenziale e necessaria per ogni ulteriore interpretazione geotecnica delle misure effettuate. 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 imposta e costante di 2 cm/sec. A seconda della permeabilità del terreno attraversato la rottura avviene in condizioni drenate o non drenate. Pertanto il modello interpretativo del fenomeno della rottura, e quindi la successiva deduzione delle caratteristiche meccaniche a partire dalle grandezze misurate, è condizionato dal tipo di terreno cui si riferiscono i dati di resistenza misurati 44/75

45 Prova CPT Schmertmann (1978) (valida per penetrometro meccanico) in ascissa il rapporto d attrito o di frizione o delle resistenze, (in scala naturale) R f f q s c 100 [-] in ordinata la resistenza di punta (in scala logaritmica) q c [FL -2 ] 45/75

46 Prova CPT Robertson (1990) (valida per penetrometro elettrico) (-1.22;3.47) in ascissa il rapporto d attrito normalizzato, (in scala logaritmica) Ic F q c fs v0 100 [-] in ordinata la resistenza di punta normalizzata (in scala logaritmica) Q q c p a v0 p a ' v0 n [-] w q c 0.27 log R 0.36 log f pa 46/75

47 Prova CPT Indice di tipo del terreno, I c È possibile determinare per ogni coppia di misure, e quindi per ogni strato investigato, un indice del tipo di terreno: I 2 2 (log F 1.22) (log Q ) c, n 1 n che corrisponde al raggio degli archi di cerchi del diagramma di Robertson per la classificazione dei terreni 3.60 < I C CLASSE 2 TERRENO ORGANICO, TORBA 2.95 < I C 3.60 CLASSE 3 ARGILLE. DA ARGILLE AD ARGILLE LIMOSE 2.60 < I C 2.95 CLASSE 4 LIMI. DA LIMI ARGILLOSI A ARGILLE LIMOSE 2.05 < I C 2.60 CLASSE 5 SABBIE. DA SABBIE LIMOSE A LIMI SABBIOSI 1.31 < I C 2.05 CLASSE 6 SABBIE. DA SABBIE PULITE A SABBIE LIMOSE 1.31 > I C CLASSE 7 DA SABBIE GHIAIOSE A SABBIE N.B. 1 = terreni sensitivi a grana fine. 8 = da sabbie molto dense a sabbie argillose fortemente sovraconsolidate o cementate 9 = materiali fini granulari molto duri, fortemente sovraconsolidati o cementati. 47/75

48 Prova CPT Determinazione di n a) Passo 1 n=1 q c v0 Q n 1 ' v0 fs F 100 q c v0 I 2 2 (log F 1.22) (log Q ) c, n 1 n b) Passo 2 Ic 2.6 Ic < 2.6 n n=1 0,381 I c,n1 ' 0,05 p v0 a q c v0 Q n 1 ' v0 fs F 100 q c v0 0,15 0,5 F q qc v p 0 a Q p ' a v0 c fs v0 48/75 n 100

49 Prova CPT 0 q c (MPa) ESEMPIO 0 f s (MPa) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 5 z w = 7.8 m Z (m) Z (m) /75

50 Dr. Ing. Johann Facciorusso Carta di Robertson , F Prova CPT I c /75 Q Z (m) 7 Da sabbie ghiaiose a sabbie 6 Da sabbie pulite a sabbie limose 5 Da sabbie limose a limi sabbiosi 3 Da argille ad argile limose 4 Da limi argilosi ad argille limose 2 Teereni organici, torbe

51 Prova CPT Stima dei parametri del terreno 1. Terreni sabbiosi L avanzamento del penetrometro statico in terreni sabbiosi avviene generalmente in condizioni drenate, ed è quindi possibile interpretarne i risultati in termini di tensioni efficaci. Per la stima dei parametri geotecnici dei terreni sabbiosi si utilizza comunemente la densità relativa, come parametro intermedio, sebbene sia stato dimostrato che anche la compressibilità della sabbia (che dipende dalla mineralogia) e lo stato di tensione in sito (che dipende dalla profondità, dal rapporto di sovraconsolidazione e dall età del deposito) siano fattori molto influenti sulla resistenza penetrometrica di punta. La resistenza alla punta q c è una misura indiretta dell energia necessaria a determinare la rottura del terreno. la resistenza al taglio ( f ) può essere stimata con una correlazione di tipo secondario con il valore di q c f = f(q c ) 51/75

52 Rottura in condizioni drenate (o quasi) e c =0 1. Correlazioni tra DR e q c Prova CPT f = tg prop. v0 picco = f(dr) q c =f( v0 DR) Profondità della misura Correlazione empirica Jamiolokowski et al.(1985) (per sabbie silicee NC non cementate e di recente deposizione D r 98 66log q c 5 ' 0, v0 con q c e v0 espressi in t/m 2 (1 t/m 2 10 kpa) Influenza della compressibilità 52/75

53 Baldi et al.(1986) Prova CPT D r 1 C 2 ln C 0 q c ' C1 con q c, (kpa) per sabbie silicee moderatamente per sabbie OC (K0 da determinare): compressibili, NC, di recente deposizione e non cementate (si assume K0 = 0,45): C 0 =181 C 1 =0.55 C 2 =2.61 C 0 =157 C 1 =0.55 C 2 =2.41 = v0 = m =( v0 +2 h0 )/3 53/75

54 Prova CPT 2. Correlazioni tra edr L angolo di resistenza al taglio di picco può essere stimato in modo indiretto a partire dal valore della densità relativa precedentemente stimata dai risultati della prove CPT ' ( ) 28 0,14 Sabbia fine uniforme D R '( ) '( ) '( ) D R D R D R Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradata Ghiaia media e fine e sabbia e ghiaia e poco limosa ' ( ) Schmertmann (1978) D R (%) Sabbia fine uniforme Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradata Ghiaia media e fine e sabbia e ghiaia poco limosa 54/75

55 Prova CPT 3. Correlazioni tra eqc L angolo di resistenza al taglio di picco può essere stimato anche mediante correlazioni dirette tra eq c, che evitano le approssimazioni dovute al q c (MPa) doppio passaggio: Robertson e Campanella, 1983 (per sabbie quarzose non cementate) q ' arctan log c ' v 'v0 (kpa) ' ( ) (q c /' v0 ) /75

56 Prova CPT Mayne, 2006 (per sabbie quarzose non cementate) ' log qc v ' p v0 0 a 56/75

57 Prova CPT 4. Correlazioni tra rigidezza e q c 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 e devono essere utilizzate con cautela Robertson e Campanella, 1983 (per sabbie quarzose non cementate, NC) E 2 25 q c dove E 25 il modulo di Young secante, drenato, per un livello di sforzo mobilitato pari al 25% di quello a rottura (FS =4) Robertson, 2010 (per sabbie non cementate, prevalentemente silicee) E' 0,015 (0,55Ic1,68) 10 q c v0 dove E è il modulo di Young secante, drenato, per una deformazione di circa 0.1% 57/75

58 Prova CPT Robertson, 1992 Rix e Stokoe, 1992 Vs 10 0,55I 1,68 c 0,55I 1,68 10 G c 0 0,0188 q c q c p a v0 0,5 v0 dove G 0 è modulo di rigidezza a piccole deformazioni, legato alla velocità di propagazione delle onde di taglio S nel terreno, V S (m/s), mediante la correlazione 2 primaria ( = densità del terreno): G q G V 0 S 0 q c c Correlazioni tra conducibilità idraulica e q c ' v0 0,75 con G 0,q c, v0 in kpa Una stima approssimata della conducibilità idraulica (ovvero del coefficiente di permeabilità) dei terreni può essere ottenuta mediante la seguente correlazione con l indice di tipo di terreno I c Robertson 2010 log( k) Ic per 1 < I C 3.27 log( k) Ic per 3.27 < I c 4 58/75

59 Prova CPT 2. Terreni a grana fine L avanzamento del penetrometro statico in terreni a grana fine saturi avviene generalmente in condizioni non drenate, ed è quindi possibile interpretarne i risultati in termini di tensioni totali. f = f(q c ) f =c u resistenza al taglio non drenata c u = f(q c ) 1. Correlazioni tra c u eq c q c v0 cu Nk con 5 < N k < 21 (cresce con IP) N k = 20 per penetrometro meccanico N k = 14 per penetrometro elettrico 2. Correlazioni tra pressione di consolidazione c (OCR) e q c Mayne e Kemper, 1988 q ' c c OCR 0.37 q c ' v0 v con c eq c espressi in Mpa 59/75

60 Prova CPT 3.CorrelazionitraMeq c È possibile anche stimare il modulo edometrico, ovvero il modulo di deformazione in condizioni di deformazioni laterali impedite: Robertson 2009 M con: M q c Ic > 2.2 v0 M =Q se q Q c p a v0 p a ' v0 n 14 M =14se Q=14 Ic 2.2 M Ic /75

61 PROVA COL PIEZOCONO (CPTU) Prova CPTU La prova CPTU viene effettuata con un penetrometro elettrico modificato (piezocono) munito di uno o più elementi porosi (filtri) per la misura delle pressioni interstiziali. La prova viene effettuata secondo le stesse modalità della prova CPT (con penetrometro elettrico) e, in terreni saturi sotto falda, consente una misura (quasi) continua: della resistenza di punta, q c della resistenza laterale, f s delle pressioni interstiziali (u 1,u 2 eu 3 ) La misura delle pressioni interstiziali, per essere affidabile, richiede la completa saturazione del filtro e può essere effettuata a penetrometro fermo (prove di dissipazione) o in movimento. 61/75

62 Prova CPT INTERPRETAZIONE DELLA PROVA CPTU La prova CPTU, mediante la misura contemporanea della resistenza alla punta q c e della pressione interstiziale u i consente, rispetto alla prova CPT, di delineare meglio la stratigrafia di un deposito ed in particolare gli strati a differente permeabilità. Siccome la penetrazione avviene a velocità costante (2 cm/s): nelle sabbie,la penetrazione avviene in condizioni drenate, senza apprezzabili variazioni della pressione interstiziali: si hanno valori di q c alti, associati a valori di ui prossimi a quelli relativi alle condizioni iniziali di equilibrio della falda (u i =u 0 ); nelle argille, la penetrazione avviene in condizioni non drenate, e si generano sovrappressioni interstiziali: si hanno valori di q c bassi (nel caso di terreni NC), associati a valori di u i più alti di quelli relativi alle condizioni iniziali di equilibrio della falda (u i =u 0 + u). OSS. Inoltre essendo la misura delle pressioni neutre in genere più sensibile alle variazioni del tipo di terreno, rispetto alle misure di q c, si possono meglio individuare sottili stratificazioni ed intercalazioni di terreno. 62/75

63 Prova CPT Per l interpretazione della prova occorre utilizzare la resistenza di punta corretta, q t, che tiene conto della differenza tra l area della punta, A c, e l area della parte del cono che agisce direttamente sulla cella di carico, A n : q t q c u 2 (1 a) dove0.55<a=a n /A c < 0.9 dipende dal piezocono e si definisce il rapporto delle pressioni interstiziali: B q q t u v0 in cui v0 rappresenta la tensione verticale totale presente in sito. N.B. Al di sopra del livello di falda, e quindi in terreni insaturi o comunque con pressione interstiziale negativa, i risultati delle prove CPTU possono essere interpretati come quelli delle prove CPT. 63/75

64 Prova CPT RISULTATI DI PROVA CPTU 0 q t (MPa) 0 10,49 20,99 31,48 41,97 0 f s (MPa) 0 0,1 0,2 0 u (MPa) -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0, u Terreno coesivo Z (m) Z (m) Z (m) Terreno incoerente /75

65 Prova CPT Riconoscimento stratigrafico Esistono dei diagrammi analoghi a quelli già visti per la prova CPT per la classificazione dei terreni che tengono conto anche della misura delle pressioni interstiziali Il numero di campi si riferisce alle stesse categorie di terreno dell analogo per prove CPT). I c t 2 3 log Q 1 B log F 10 t q /75

66 Prova CPT Stima dei parametri del terreno Tutte le correlazioni proposte per la prova CPT (così come anche la classificazione litologica) valgono anche per la prova CPTU, con l avvertenza di sostituire q c con q t (in genere q c q t ) La misura della pressione interstiziale durante la penetrazione permette un interpretazione del fenomeno della rottura in termini di tensioni efficaci e quindi una stima dei parametri c e anche per i terreni a grana fine: ' Mayne, 2006 (per terreni a grana fine NC o debolmente OC, con 20 < < 45, 0.1 < Bq< 1 0, B B logq q q 66/75

67 PROVE DI DISSIPAZIONE Prova CPT Col piezocono possono anche essere effettuate, in corrispondenza di terreni coesivi, misure di dissipazione, che consistono, una volta arrestata la penetrazione, nel misurare la velocità di riduzione nel tempo della sovrappressione iniziale (conseguente alla rottura in condizioni non drenate) per la stima delle caratteristiche di permeabilità e consolidazione del terreno. Valore iniziale (arresto),ui Valore finale (idrostatico), u 0 Da tali curve si ricavano (con un modello interpretativo di consolidazione orizzontale): t50 il coefficiente di consolidazione orizzontale,c H = f(t 50 ) il coefficiente di permeabilità orizzontale, k H = f(t 50 )

68 Prova CPT Se u i = u 2 (filtro alla base del cono) c h t k , 25 t 50 con c H (cm 2 /s) e t 50 (s) con k (cm/s) e t 50 (s) 68/75

69 PROVA DILATOMETRICA (DMT) Prova DMT Il dilatometro piatto o dilatometro di Marchetti, ideato in Italia negli anni 80, ha avuto un grande successo internazionale ed è attualmente utilizzato in tutto il mondo. La prova è semplice ed economica, ma permette di stimare, mediante correlazioni empiriche, la litologia attraversata e numerose proprietà geotecniche di resistenza e di deformabilità. La prova consiste nell infissione a pressione nel terreno, ottenuta utilizzando la stessa procedura e lo stesso dispositivo di spinta del penetrometro statico, di un sistema di aste che termina in una lama d acciaio di forma e dimensioni standardizzate, al cui centro è posizionata una membrana piana di forma circolare. 69/75

70 Prova DMT Ogni 20 cm di penetrazione lo strumento è arrestato per la determinazione degli indici dellaprova prova, che DILATOMETRICA consiste nell immissione, (DMT) attraverso un cavo pneumatico interno alle aste, di un gas in pressione che determina l espansione della membrana. Si registrano due valori di pressione: -lapressione p 0, (inizio dell espansione della membrana contro il terreno).lapressione p 1 (spostamento del centro della membrana di 1,1 mm) I d k E d p p 1 0 p u 0 0 p0 u ' V p INDICE DEL MATERIALE INDICE DI TENSIONE ORIZZONTALE p MODULO d 1 0 DILATOMETRICO dove: v0 è la tensione verticale efficace, u 0 è la pressione interstiziale in sito alla profondità della prova. 70/75

71 Prova DMT Riconoscimento stratigrafico La classificazione del terreno, la consistenza dei terreni a grana fine e la densità dei terreni a grana grossa, si ottengono dagli indici della prova DMT 71/75

72 Prova DMT Stima dei parametri di deformabilità e resistenza - Coefficiente di spinta a riposo, K 0 K 0,47 K D 0, DMT 1,5 0,6 per I d < 1,2 - Resistenza al taglio non drenata, c u c 0, K 1, 25 ' u, 0,22 vo 5 DMT D per I d < 1,2 - Grado di sovraconsolidazione, OCR OCR DMT,5 K 1, 56 0 D - Angolo di resistenza al taglio, per I d < 1,2 ' DMT 28 14,6 log K D 2,1 log 2 K D per I d >1,8 72/75

73 Prova DMT - Modulo edometrico, M DMT I D 0,6 R M 0,14 2,36 log K D M DMT R M E D 0,6 I D 3 R M R 2,5 RM 0 log K D 0,15 0,6 M 0 R M 0 0,14 I D I D 3 R M 0,5 2 log K D se se K D 10 R R 0,85 0, 85 M M R M 0,32 2,18log K D 73/75

74 Prova DMT PROFILO DILATOMETRICO INTEPRETATO 74/75

75 PROVE DI DISSIPAZIONE Prova DMT Col dilatometro possono anche essere effettuate, in corrispondenza di terreni coesivi, misure di dissipazione (DMTA), che consistono, una volta arrestata la penetrazione della lama, nel misurare la velocità di riduzione nel tempo della pressione esercitata dal terreno sulla membrana (curve di dissipazione). Da tali curve si ricavano (adottando un modello interpretativo di consolidazione orizzontale): il coefficiente di consolidazione orizzontale (c H ) 7cm c h T k h,dmta flex 2 il coefficiente di permeabilità orizzontale (k H ) c h M h w con M h K 0 M DMT 75/75