LE INDAGINI IN SITO: SONDAGGI, CAMPIONAMENTI, PROVE E MISURE. Giovanni B. Fenelli. Università Federico II di Napoli

Transcript

1 Associazione Geotecnica Italiana Ordine dei Geologi della Regione Campania Corso di Aggiornamento di Cultura Geotecnica, Napoli, giugno-luglio 2002 LE INDAGINI IN SITO: SONDAGGI, CAMPIONAMENTI, PROVE E MISURE Giovanni B. Fenelli Università Federico II di Napoli 1. Premessa La risoluzione di un qualsiasi problema richiede l acquisizione di una serie di informazioni. Per quanto riguarda la Geotecnica è indispensabile acquisire i dati necessari alla formulazione del modello meccanico del sottosuolo interessato dall opera in esame, tale da consentire lo sviluppo di analisi per la previsione del comportamento dell opera (deformazioni attese, sollecitazioni nelle membrature, coefficienti di sicurezza nei confronti dei possibili meccanismi di collasso ecc.). Il modello geotecnico del sottosuolo deve quindi essere strutturato in modo tale da consentire analisi specifiche e quindi è strettamente connesso al problema e, di conseguenza, anche l indagine geotecnica. Affinché il modello geotecnico sia in grado di rappresentare la situazione reale senza trascurare aspetti importanti deve essere formulato sulla base di un adeguata campagna di indagini la quale deve essere programmata, eseguita ed interpretata con attenzione e competenza avendo chiari gli obbiettivi ed i suoi limiti. L utilizzazione di procedure di calcolo avanzate non può in alcun modo sopperire alla mancanza di informazioni, anzi, quanto più sono sofisticate le procedure di calcolo tanto più devono essere complete ed avanzate le indagini sul sottosuolo. La mancanza di indagini porta alla definizione di modelli di sottosuolo molto semplici se non addirittura semplicistici ed in ogni caso non si è in grado di poter affermare che quanto assunto è cautelativo. La programmazione e l ampiezza delle indagine devono, tuttavia, tener conto dei tempi disponibili e soprattutto dei costi che devono essere compatibili con l importanza delle opere; di conseguenza è necessario sviluppare, sulla base delle conoscenze disponibili e delle problematiche attese, il progetto delle indagini. La progettazione delle indagini si basa sulle conoscenze disponibili, di conseguenza è necessario seguire con molta attenzione il loro svolgimento in modo da modificare ed integrare il programma previsto sulla base delle conoscenze che via via si acquisiscono. 2. Finalità delle indagini in sito Le indagini in sito hanno le seguenti finalità: ricostruire la struttura stratigrafica del sottosuolo attraverso il prelievo della campionatura rimaneggiata o attraverso correlazioni tra grandezze misurate (ad esempio la resistenza penetrometrica alla punta) e la stratigrafia; prelevare, se possibile, campioni indisturbati, da sottoporre successivamente a prove di laboratorio;

2 eseguire prove in sito per la determinazione delle proprietà meccaniche e fisiche; installare strumenti per il rilievo del regime delle pressioni neutre, delle deformazioni ecc.; L interpretazione dei risultati delle indagini in sito, unitamente a quella dei risultati delle indagini di laboratorio conduce alla formulazione del modello geotecnico del sottosuolo. L ampiezza del programma delle indagini è commisurata all importanza dell opera ed alla sua fase di progettazione. Per opere di importanza non rilevante le indagini sono sviluppate in una sola fase, al contrario, per le opere molto impegnative e di grande rilevanza le indagini sono sviluppate in diverse fasi e finalità. Facendo riferimento alla attuale normativa sui lavori pubblici si possono distinguere i seguenti livelli di progetto e quindi di indagini: progetto preliminare si verifica la fattibilità dell opera sia dal punto di vista tecnico sia da quello economico, per quanto riguarda le indagini geotermiche ci si limita ad acquisire i risultati di indagini eseguite con altre finalità nella zona con l eventuale approfondimento. progetto definitivo l opera è definita in tutte le sue parti e quindi necessita di indagini specifiche per lo sviluppo di un modello di sottosuolo affidabile tale da consentire le necessarie analisi di stabilità e di comportamento in esercizio. progetto esecutivo - nel progetto si definiscono i particolari costruttivi, le modalità di esecuzione ecc. le ulteriori indagini sono in genere limitate all approfondimento di situazioni particolari. fase di costruzione realizzazione dell opera può risultare necessario sviluppare ulteriori indagini per la risoluzione di problemi specifici o la verifica delle ipotesi progettuali. 3. Ampiezza dell indagine Lo studio geotecnico deve riguardare quella porzione di sottosuolo interessata dalla costruzione del manufatto cioè dove si hanno significative modifiche dello stato tensionale preesistente, sia in termini di tensioni efficaci sia in termini di pressioni neutre, dove si possono avere interazioni con il manufatto stesso. Tale porzione di sottosuolo, è chiamato volume significativo, esso si estende anche fuori dell area di impronta del manufatto. Le Raccomandazioni AGI (1977) riportano delle utili indicazioni sull estensione del volume significativo in rapporto di varie opere (v. Figura 1). In ogni caso il numero di verticali da esplorare deve essere tale da consentire la ricostruzione di sezioni stratigrafiche significative. Non è inutile ricordare che per particolari problemi di stabilità dei versanti, l indagine debba essere estesa ad una porzione importante della pendice con indubbi oneri economici e difficoltà di accesso ai siti. Molti degli insuccessi riguardanti opere realizzate su pendici derivano da problemi di stabilità del versante aggravati dall esecuzione di scavi o costruzioni di opere. La figura del geologo, in questi casi, può essere determinante in quanto, essendo abituato ad una visione ampia dell ambiente fisico, è in grado di riconoscere forme ed indizi che denunciano la presenza di problemi di stabilità. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 2/24

3 4. Mezzi di indagine 4.1. Generalità Il programma delle indagini è stabilito sulla scorta delle conoscenze che si hanno sull area in esame, sulla disponibilità delle attrezzature, sui tempi e costi. Le modalità di esecuzione delle indagini sono diverse e variano in funzione degli obbiettivi che si vogliono conseguire oltre che della natura e consistenza del sottosuolo da indagare; a titolo di esempio di seguito si riporta la classifica fornita nelle già ricordate Raccomandazioni dell AGI. Figura 1 - Volume significativo (AGI 1977) Giovanni B. Fenelli Lezione 8 3/24

4 Come è evidente dall esame della Tabella 1 i mezzi di indagine sono molteplici e tali da richiedere, per una loro completa ed articolata disamina, spazi decisamente più ampi di quelli disponibili; di conseguenza nel seguito si esamineranno solamente quelli maggiormente diffusi. Facendo riferimento alla Tabella 1, si osserva che i pozzi, le trincee ed i cunicoli sono realizzati con le usuali precauzioni e tecniche di scavo, per quanto riguarda i fori di sondaggio e l esecuzione di prove si utilizzano attrezzature particolari. Le indagini in sito sono sviluppate attraverso macchine ed attrezzature finalizzate alle specifiche operazioni; in particolare si hanno: macchinari destinati alle perforazioni attrezzati con carotieri, campionatori ecc. macchinari destinati all esecuzione di prove (penetrometri statici e dinamici continui, pressiometri autoperforanti, scissometri autoperforanti ecc.). Tabella 1 - Mezzi di indagine (AGI 1977) Finalità Profilo stratigrafico Proprietà fisico-meccaniche dei terreni Misura della pressione neutra Permeabilità dei terreni Verifica dell impiego di procedimenti tecnologici Diretti Pozzi Trincee Cunicoli Fori di sondaggio In laboratorio In sito Mezzi di indagine Indiretti Indagini geofisiche Prove su campioni indisturbati Prove penetrometriche statiche e dinamiche Prove scissometriche Prove pressiometriche Prove di carico su piastra Indagini geofisiche Piezometri In laboratorio Prove su campioni indisturbati Prove di emungimento da pozzi In sito Prove con immissione di acqua in pozzetti o fori di sondaggio Palificate Prove di carico su pali Impermeabilizzazione Piezometri, prove di permeabilità Consolidamenti Misura delle proprietà meccaniche mediante prove in sito 4.2. Scavi e perforazioni Scavi Trincee aperte a mano o con mezzi meccanici, hanno profondità in genere ridotta (si ricorda che vi è pericolo di seppellimento degli operatori in mancanza opere di stabilizzazione dei fronti di scavo o di loro opportuna sagomatura. Per tali ragioni le profondità che si riescono a raggiungere sono ridotte e dell ordine di 4-5 m. Gallerie e Cunicoli aperte a mano con mezzi meccanici (cunicoli pilota delle per le gallerie) con opere di sostegno Giovanni B. Fenelli Lezione 8 4/24

5 Pozzi eseguiti a mano o con mezzi meccanici con armature dei fronti di scavo (esiste un significativo pericolo di asfissia degli operatori nel caso di uso di mezzi meccanici o per intercettazione di sacche di gas). Gli scavi consentono l osservazione diretta del sottosuolo, il prelievo di campioni indisturbati mirati cioè in quelle zone dove è più significativo il campionamento. A queste indubbie prestazioni si contrappongono, in genere, costi elevati e tempi lunghi di esecuzione Perforazioni La perforazione può avvenire o a rotazione o a percussione, quest ultima è oggi praticamente caduta in disuso. La perforazione può essere di due tipi: con il prelievo continuo della campionatura rimaneggiata; a distruzione di nucleo. Mentre è evidente la finalità della perforazione a campionamento continuo, non altrettanto evidente è quella a distruzione di nucleo, essa è, infatti, finalizzata all esecuzione di fori necessari o per l installazione di strumenti o per il prelievo di campioni indisturbati o l esecuzione di prove. In presenza di materiali a grana grossa (sabbie e ghiaie) o comunque di terreni che non si autosostengono le pareti del foro di sondaggio sono stabilizzate con rivestimento metallico o con fanghi bentonitici; spesso i fanghi bentonitici sono sostituiti da polimeri biodegradabili. Carotieri Per l esecuzione di fori a campionamento continuo si usano i carotieri ; essi sono dei tubi alla cui estremità è posizionata una corona, la quale presenta rinforzi di materiali più o meno duri in ragione dei terreni da attraversare. In genere la corona presenta denti in VIDIA, nel caso di attraversamento di rocce cristalline o quarzose, si utilizzano corone diamantate. Il carotiere è collegato ad una batteria di aste (v. Figura 2). Figura 2 - Attrezzatura schematica di perforazione a rotazione Giovanni B. Fenelli Lezione 8 5/24

6 Oltre al carotiere semplice, per particolari applicazioni, si utilizzano carotieri più complessi ed in particolare: carotieri doppi per perforazioni in roccia (v. Figura 3); carotieri tipo T6 per materiali alluvionali a grana grossa. Il materiale estratto durante le fasi di perforazione viene collocato in apposite cassette catalogatrici nelle quali andrebbe indicato sistematicamente l inizio e fine di ogni manovra. Cioè la profondità in cui inizia l operazione di carotaggio e quella in cui questa è interrotta per portare in superficie il carotiere e con esso il materiale prelevato. È evidente che la profondità di inizio della manovra e quella di fine è certa in quanto facilmente misurabile attraverso il semplice conteggio delle aste di perforazione 1 ; al contrario la profondità della campionatura estratta non è altrettanto certa in quanto non sempre si riesce ad avere una percentuale di carotaggio elevata e prossima all unità (i materiali a grana grossa sono spesso campionati con percentuali anche inferiori al 50%) Figura 3 - Carotiere doppio Strumenti per la perforazione a distruzione di nucleo La perforazione a distruzione di nucleo necessita di attrezzature per il disgregamento del terreno senza alcuna pretesa di portarlo in superficie nella maggiore quantità possibile. In genere il trasporto in superficie del terreno disgregato avviene direttamente attraverso il fluido di raffreddamento (aria e, più frequentemente acqua). 1 È buona norma che le aste di perforazione siano tutte di eguale lunghezza. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 6/24

7 Le attrezzature sono molteplici e variano in funzione della natura dei terreni da attraversare. Nella Figura 4 sono riportati alcuni utensili per perforazioni a percussione ed a rotazione Campionatori Prima di passare all esame dei vari strumenti utilizzati per il prelievo di campioni (campionatori) è utile, chiarire che cosa si intende per campione. Nell accezione comune con il termine campione si intende una porzione limitata estratta da una popolazione più o meno grande. Figura 4 - Utensili per perforazione a distruzione di nucleo La Geotecnica fa distinzione tra i campioni di terreno in funzione della loro utilizzabilità; in particolare facendo riferimento alle più volte citate Raccomandazioni AGI si suddividono i campioni in 5 classi in funzione del disturbo arrecato in fase di prelievo e quindi alle informazioni geotecniche che da essi si possono dedurre (v. Tabella 2). Tabella 2 - Classi di qualità dei campioni Caratteristiche geotecniche determinabili Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Natura del terreno * * * * * Composizione granulometrica * * * * Contenuto d acqua * * * Peso dell unità di volume * * Caratteristiche meccaniche * Campioni rimaneggiati Campioni a disturbo limitato Campioni indisturbati I materiali estratti con i carotieri ricadono nelle classi Q1 Q3, di conseguenza volendo acquisire informazioni sulle proprietà meccaniche dei terreni è risultato necessario sviluppare particolari attrezzi e strumenti per il prelievo di campioni di classe Q4 Q5. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 7/24

8 Quando la perforazione ha raggiunto la profondità prevista per il prelievo di un campione, viene interrotta ed il carotiere è sostituito con un campionatore. Si ricorda che il prelievo di campioni indisturbati è possibile, con le usuali tecniche, solo in presenza di terreni a grana fine (limi e/o argille). Sono stati messi a punto diversi tipi di campionatori in funzione della consistenza del terreno da campionare; infatti, le problematiche del campionamento sono profondamente diverse: per materiali molli, il problema è quello del recupero del campione e nell evitare di comprimerlo; per materiali duri il problema è quello dell infissione del campionatore. Terreni molli Nei terreni molli è normalmente usato il campionatore a pistone stazionario, tale campionatore consente di infiggere la fustella senza il pericolo di comprimere il terreno campionato e, nello stesso tempo, di evitare il campionamento del materiale alterato presente sul fondo del foro di sondaggio (v. Figura 5). Figura 5 - Campionatore a pistone stazionario Terreni mediamente consistenti In questi terreni è di solito usato il campionatore Shelby costituito da una fustella in acciaio zincato o, preferibilmente, inossidabile munita di tagliente ed a parete sottile (v. Figura 6). Figura 6 - Campionatore a parete sottile con sfera tipo Shelby Giovanni B. Fenelli Lezione 8 8/24

9 Terreni duri e molto duri Nel tempo sono stati messi a punto diversi tipi di campionatore (solo a titolo di esempio si ricordano il Mazier ed il Denison); si tratta comunque di campionatori in cui la fustella è protetta e ne è facilitata l infissione attraverso un carotiere a rotazione con tagliente arretrato rispetto alla scarpa della fustella (v Figura 7). Figura 7 - Campionatore tipo Mazier (a); tipo Denison (b) Prove eseguite all interno di fori di sondaggio SPT Durante le fasi di perforazione si possono eseguire, oltre al prelievo di campioni indisturbati, prove SPT (Standard Penetration Test); in particolare, raggiunta la profondità alla quale si vuole eseguire la prova, dopo aver eseguito una attenta pulizia del fondo del foro, si sostituisce all estremità delle aste di perforazione il carotiere con un campionatore a parete spessa Raymond (v. Figura 8). Figura 8 - Campionatore Raymond per l esecuzione di prove SPT Giovanni B. Fenelli Lezione 8 9/24

10 La prova consiste nel calare sul fondo del foro un campionatore Raymond posto all estremità inferiore della batteria di aste, quindi nell infiggere il campionatore stesso attraverso una massa battente del peso di 63.5 kg lasciata cadere da un altezza di 0.76 m. La massa battente è inserita in un sistema che consente di sollevarla e sganciarla automaticamente al raggiungimento dell altezza di caduta. In particolare si contano il numero di colpi necessario ad infiggere il campionatore per un piede (N2+N3), dopo averlo infisso per 0.5 piedi (N1). In presenza di terreni molto duri o con elementi grandi, la prova è eseguita a punta chiusa, cioè si rinuncia al prelievo del terreno in cui la prova è eseguita. La prova è interrotta quando si raggiunge un numero di colpi pari a 50 nell avanzamento dei primi 15 cm (0.5 piedi) o quando si raggiunge il numero di 100 nei restanti 30 cm. L esecuzione della prova richiede molta attenzione ed in particolare: il fondo del foro deve essere pulito; l eventuale tubazione di rivestimento deve essere spinta ad una profondità inferiore a quella del fondo foro; il recupero della attrezzatura di perforazione deve essere eseguito con una velocità tale da non provocare il sifonamento del fondo del foro quando si opera in sabbie sotto falda. La prova è eseguita normalmente in terreni incoerenti ed, attraverso correlazioni empiriche, è possibile risalire al loro grado di addensamento ed all angolo di resistenza al taglio. Una delle correlazioni disponibili tra angolo di resistenza al taglio, stato tensionale efficace verticale alla profondità di esecuzione della prova e N SPT, dovuta a Schmertmann, è fornita in Figura 9. Figura 9 - Correlazione tra Nspt, ϕ, e stato tensionale efficace Giovanni B. Fenelli Lezione 8 10/24

11 Nel caso di prove eseguite in terreni coesivi si possono eseguire stime della resistenza a taglio in condizioni non drenate. Sulla base delle indicazioni di Terzaghi e Peck, riprese successivamente da Shioi e Fukui (1982) si può porre: c u = α N SPT con α pari a 0.6 se si esprime c u in ton/m² Prove di permeabilità Durante le fasi di perforazione si possono eseguire, prove di permeabilità. Il coefficiente di conducibilità idraulica o, più semplicemente la permeabilità di un terreno è una grandezza che assume valori compresi tra 0.1 m/sec, nel coso di ghiaie pulite, fino a 1E-11 m/sec per argille, di conseguenza ha un campo di variazione di oltre 10 ordini di grandezza. La permeabilità dipende essenzialmente dalla granulometria del terreno, e quindi dalle dimensioni dei pori, e, in secondo ordine dalla porosità cioè dal volume dei pori stessi. La permeabilità di un terreno è poi fortemente influenzata dalla sua struttura nel senso che discontinuità granulometriche possono giocare ruoli importanti e attribuire al terreno una marcata anisotropia nei confronti di tale grandezza. Si segnala ancora che il coefficiente di conducibilità idraulica ha le dimensioni di una lunghezza diviso un tempo, deve pertanto sempre essere indicate le unità di misura utilizzate. Le prove che si possono eseguire durante le fasi di perforazione sono le prove di emungimento o di immissione di acqua in foro; queste possono essere a carico costante nelle quali si misurano le portate immesse o estratte dal sottosuolo per mantenere costante la quota dell acqua nel foro di sondaggio, o a carico variabile. Per quanto riguarda le modalità di interpretazione di tali prove si rimanda a testi specializzati quali le Raccomandazioni AGI (1977) o Fondazioni (1999) di C. Viggiani. Nella Figura 10 sono forniti due schemi di prova Attrezzature dei fori di sondaggio I fori di sondaggio possono essere attrezzati con strumenti per l esecuzione di misure; in alternativa è buona norma procedere alla loro occlusione con materiali di bassa permeabilità, infatti, potrebbero rappresentare percorsi preferenziali di inquinanti delle falde idriche. Gli strumenti che possono essere installati dipendono dalle grandezze fisiche che si vogliono misurare. Le grandezze che normalmente si misurano sono: pressioni neutre spostamenti, verticali ed orizzontali velocità delle onde elastiche Giovanni B. Fenelli Lezione 8 11/24

12 Figura 10 - Schemi di prove di emungimento o immissione di acqua (AGI 1977) Pressioni neutre Per la misura delle pressioni neutre si usano i piezometri; questi possono essere di tipo idraulico o di tipo indiretto (elettrico, a corda vibrante ecc.) Le misure piezometriche sono misure puntuali, cioè misurano la pressione neutra nell intorno di un punto. In un sottosuolo sede di falda idrica le pressioni neutre sono rette dal regime di quote piezometriche presente; solo se la falda è in quiete ogni punto del sottosuolo ha la stessa quota piezometrica, al contrario in presenza di falda idrica in movimento, in genere, in ogni punto si avrà una quota piezometrica diversa, costante nel tempo, se il regime di filtrazione è stazionario, variabile anche nel tempo in caso di regime transitorio. Nel tempo sono stati messi a punto vari tipi di piezometro, da quello più semplice (piezometro a tubo aperto) a quelli elettrici. La scelta dello strumento da utilizzare dipende dalla permeabilità dei terreni, in cui il piezometro deve essere inserito, dalla velocità di variazione nel tempo delle pressioni neutre e dalla necessità di eseguire misure in continuo. Nella Figura 11 sono forniti i tempi di risposta di vari tipi di piezometri in funzione della permeabilità dei terreni. Piezometri idraulici Piezometro a tubo aperto: si tratta di un tubo, in genere 2 sfinestrato per una lunghezza di circa un metro, uno schema di montaggio è riportato nella Figura 12. Questo tipo di piezometro si utilizza in terreni di elevata permeabilità ed in presenza di quote piezometriche minori del p.c. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 12/24

13 Piezometro a circuito chiuso: si tratta di piezometri dotati di manometro per eseguire misure nel caso di risalita del pelo libero al di sopra del p.c. Figura 11 - Tempi di risposta di vari piezometri in funzione della permeabilità dei terreni Figura 12 - schema di montaggio di un piezometro a tubo aperto. Piezometri tipo Casagrande: si tratta di piezometri caratterizzati da una presa di circa 30 cm di altezza collegata in superficie da due tubicini da 0.5 (v. Figura 13). Sono adatti a terreni di permeabilità ridotta (fino a 10-6 cm/sec). La tecnica di installazione è del tutto simile a quella dei piezometri a tubo aperto. Il doppio circuito idraulico consente di eseguire il lavaggio della cella per asportare eventuali inclusioni di terreno. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 13/24

14 Figura 13 - Cella piezometrica tipo "Casagrande" a doppio circuito Piezometri indiretti Con il termine di piezometri indiretti si intende far riferimento a tutti quegli strumenti che associano il valore della pressione neutra in un punto ad una grandezza fisica diversa, ad esempio la deformata di una membrana, una variazione di resistenza elettrica ecc. Si tratta comunque di strumenti utilizzabili in terreni a bassa permeabilità e con possibili repentine variazioni di pressione neutra. Sono adatti a essere letti in continuo e possono essere collegati a centraline di acquisizione e trasmissione dei dati. L affidabilità di tali strumenti è molto variabile anche se oggi si è in genere in presenza di strumenti di buona qualità. Per avere un buon funzionamento degli strumenti è necessario adottare una serie di provvedimenti in fase di installazione ed in particolare: installare la presa in corrispondenza di terreni a granulometria maggiore; pulire accuratamente il foro di sondaggio, asportando eventuali fanghi bentonitici; controllare che la quota del fondo del foro sia pari a quella teorica di perforazione dopo il lavaggio del foro (una minore profondità indica rifluimento nel foro di sondaggio di materiale); per una installazione a profondità inferiore a quella di perforazione, riempire il foro con palline di bentonite fino alla quota di realizzazione del filtro; realizzare il filtro con materiale caratterizzato da una granulometria stabile rispetto a quella dei terreni circostanti; installare la cella satura e completare il filtro; realizzare il tappo superiore con palline di bentonite; riempire il foro di sondaggio con sabbia; realizzare il tappo superiore con cemento ed installare il chiusino. È importante verificare in laboratorio il buon funzionamento delle celle piezometriche speciali, ed eseguire il controllo dello zero, prima dell installazione. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 14/24

15 L installazione di più di due celle piezometriche in uno stesso foro di sondaggio, è sconsigliabile per la difficoltà di eseguire buone sigillature, volendo installare più celle è quindi consigliabile eseguire più sondaggi in prossimità il primo a carotaggio continuo ed i successivi a distruzione. Si deve ancora verificare la tenuta delle giunzioni dei tubi. Misure di spostamento In alcuni casi è significativo eseguire misure di spostamento del terreno, ad esempio nel caso di movimenti franosi, o di processi di consolidazione. Gli spostamenti orizzontali in profondità possono essere misurati attraverso il rilievo della deformata di un tubo reso solidale alle pareti del foro di sondaggio. La tubazione inclinometrica, normalmente in alluminio estruso, presenta un diametro di circa 80 mm ed è caratterizzata da quattro guide. Nella Figura 14 è riportato lo schema di funzionamento e di installazione dell inclinometro unitamente al criterio di elaborazione dei risultati. Figura 14 - Principio di funzionamento dell'inclinometro e criterio di elaborazione dei dati All interno della tubazione viene calata una sonda in grado di rilevare, ogni 50 cm o ogni metro, la rotazione del tubo rispetto alla verticale. In tal modo, per integrazione e sommatoria si ha la proiezione della deformata su due piani ortogonali. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 15/24

16 Non potendo realizzare un foro perfettamente verticale, gli spostamenti dovuti ai fenomeni in atto, si rilevano per differenza tra la lettura iesima e la lettura iniziale. I risultati sono forniti sotto forma di spostamento ed azimut (o anomalia). Gli abbassamenti possono essere misurati attraverso gli assestimetri; in particolare nel foro di sondaggio si inseriscono degli anelli metallici magnetizzati resi solidali al terreno attraverso delle ancore (v. Figura 15). La misura è eseguita attraverso il rilevamento del campo magnetico. Figura 15 - Schema di montaggio degli assestimetri magnetici Misure della velocità delle onde di taglio I fori di sondaggio possono essere utilizzati per eseguire misure delle onde di taglio, in tal caso debbono essere condizionati con tubi in PVC resi solidali alle pareti del foro. Questo argomento verrà successivamente ripreso e trattato in modo unitario con altre misure dello stesso tipo ma eseguite in superficie Prove eseguite direttamente dal piano campagna Generalità Direttamente dal piano campagna è possibile sviluppare prove ed indagini; le più comuni sono: 1. prove penetrometriche statiche (CPT) Giovanni B. Fenelli Lezione 8 16/24

17 2. prove penetrometriche dinamiche 3. prove pressiometriche (autoperforante) 4. prove scissometriche (autoperforante) 5. prove dilatometriche 6. misure della velocità delle onde elastiche Le prove sopra elencate non hanno una egual diffusione, in particolare mentre le prove CPT sono molte diffuse e le attrezzature sono facilmente reperibili non altrettanto si può dire per le prove scissometriche, dilatometriche e pressiomentriche Prove penetrometriche statiche (CPT) Mentre le prove SPT, sono eseguite durante le fasi di perforazione e cioè all interno del foro di sondaggio, le prove penetrometriche statiche (CPT) sono eseguite direttamente dal p.c. La prova consiste nel misurare lo sforzo necessario ad infiggere staticamente nel terreno una punta conica ( 35.6 mm con apertura di 60 ) collegata alla superficie attraverso una batteria di aste contenute in un rivestimento; la punta ed il rivestimento sono fatti avanza alternativamente. Sono oggi disponibili, oltre all usuale punta meccanica, punte elettriche, piezoelettriche, ambientali. La distinzione tra le varie punte consiste nel modo con cui sono misurati gli sforzi oltre che nella possibilità di rilevare altre grandezze quali le sovrapressioni in fase di avanzamento (piezocono) o il ph, la temperatura ecc. (punte ambientali). Nella Figura 16 è illustrata la classica punta Begeman con manicotto per la misura della resistenza laterale locale. Figura 16 - Penetrometro statico - Punta meccanica con manicotto Giovanni B. Fenelli Lezione 8 17/24

18 La misura dello sforzo di penetrazione è praticamente in continuo. La prova è normalmente eseguita all interno di terreni incoerenti per i quali è praticamente impossibile il prelievo di campioni indisturbati. Nel tempo sono state messe a punto numerose correlazioni empiriche che consentono di eseguire stime affidabili della densità relativa e dell angolo di resistenza al taglio nonché dei moduli elastici. Una delle relazioni tra angolo di resistenza al taglio, stato tensionale efficace e resistenza alla punta qc è fornita nella Figura 17, per prove eseguite in terreni incoerenti. Figura 17 - Correlazione tra qc, ϕ e σ v I risultati delle prove pentrometriche statiche CPT, eseguite in terreni incoerenti, possono essere correlati anche con il modulo E attraverso la semplice relazione: E = α qc Dove α è un coefficiente adimensionale dipendente dalla granulometria del terreno ed assume valori compresi tra 2.5 e 12.; numerose evidenze sperimentali derivanti dal controllo di opere in vera grandezza fanno ritenere che, per le pozzolane del napoletano Giovanni B. Fenelli Lezione 8 18/24

19 si possa assegnare ad α il valore di 6 ben maggiore di quanto risulta dalle indicazioni di letteratura che assegnerebbero un valore di Nel caso di prove eseguite in terreni coesivi, l interpretazione dei risultati deve essere sviluppata in termini di tensioni totali; in particolare si potrà porre: qc γ z cu = L uso delle punte piezoelettriche consente una miglior comprensione dei fenomeni di rottura connessi all infissione della punta in terreni sabbiosi fini o limosi sotto falda. Oltre a consentire una stima dei parametri di resistenza al taglio i profili penetrometrici (andamento della resistenza alla punta con la profondità) consentono di ricostruire con un elevato dettaglio e precisione anche l assetto stratigrafico del sottosuolo eseguendo la taratura del profilo con l esecuzione di un sondaggio in prossimità della prova CPT Prove penetrometriche dinamiche a cono (SCPT) La prova utilizza una apparecchiatura simile a quella della prova CPT con la variante di infiggere la punta attraverso una massa battente di 72 kg con una volata di 75 cm. I risultati della prova sono interpretati utilizzando le correlazioni delle prove SPT, ma con una minore affidabilità Prove penetrometriche dinamiche leggere Sono stati messe a punto anche penetrometri che utilizzano masse battenti di 30 kg ed anche minori. Nel campo della Geotecnica, queste prove sono viste con un certo sospetto a causa della ridotta affidabilità delle correlazioni disponibili per l utilizzazione dei risultati. Maggiore fortuna godono nel mondo professionale dei geologi. Recentemente stanno avendo una notevole fortuna anche nel campo geotecnico in quanto, tali apparecchiature, si sono dimostrate particolarmente efficaci nel rilevare gli spessori delle coltri piroclastiche che ammantano molti rilievi della Regione Campania Prove scissometriche Questo tipo di prova si esegue in presenza di terreni a grana fina molli o poco consistenti. Può essere eseguita sia all interno di fori di sondaggio sia con strumenti autoperforanti. La prova consiste nel misurare la coppia necessaria a mettere in rotazione uno strumento formato da quattro lame disposte a croce (v. Figura 18). Con tale strumento si possono ottenere valori attendibili della coesione non drenata di argille poco consistenti. La diffusione di tale strumentazione nell Italia Meridionale è scarsa. Giovanni B. Fenelli Lezione 8 19/24

20 Figura 18 - Scissometro (Vane test) autoperforante Prove pressiometriche La prova consiste nel misurare le deformazioni provocate nell intorno di un foro dall espansione di una sonda cilindrica ottenendo informazioni circa lo stato tensionale in sito, la relazione sforzi-deformazioni e la resistenza a rottura. Il primo apparecchio ad incontrare una certa diffusione è stato il pressiomentro Menard (v. Figura 19). Tale strumentazione presenta una serie di incertezze nell interpretazione dei risultati, incertezze legate al disturbo arrecato al terreno in fase di esecuzione del foro di sondaggio. Successivamente il Laboratoire Central des Ponts e Chaussées e l Università di Cambridge hanno proposto dei pressiometri autoperforanti (v. Figura 20). Giovanni B. Fenelli Lezione 8 20/24

21 Figura 19 - Schema di funzionamento del pressiometro Menard Figura 20 - Pressiometri autoperforanti: a) PAFSOR (laboratoire Central des Ponts e Chaussées, b) Camkometer (Università di Cambridge) Giovanni B. Fenelli Lezione 8 21/24

22 Prove dilatometriche L apparecchio è stato ideato dal prof. S. Marchetti, esso è costituito da una piastra metallica la quale presenta un tagliente nella parte inferiore (v. Figura 21), è collegata all estremità di una batteria di aste che ne consente, attraverso un gruppo di spinta, l infissione fino alla profondità di prova. Figura 21 - Dilatometro Marchetti (DTM) La prova consiste nel far espandere la membrana flessibile posta nella piastra metallica. I risultati della prova consentono stime del coefficiente di spinta a riposo Ko e del grado di addensamento del terreno Prove di misura delle onde elastiche La conoscenza del comportamento dei terreni a basse e bassissime deformazioni è indispensabile per lo sviluppo di analisi del comportamento di fondazioni di macchine vibranti o la microzonazione sismica. Le attrezzature di laboratorio non sono in grado di eseguire misure in questi campi di deformazione, sono quindi utilizzate per la misura della non linearità o della diminuzione del modulo con la deformazione. Le procedure comunemente utilizzate per la misura dei moduli iniziali sono di tipo geofisico le quali possono essere eseguite in foro o in superficie. Le misure in foro sono eseguite secondo gli schemi riportati in Figura 22. La differenza tra i vari schemi, è contenuta nella posizione del ricevitore e della sorgente dell onda, la misura è sempre quella del tempo necessario all onda elastica di compressione per percorrere lo spazio tra la sorgente ed il ricevitore. Mentre le prove di tipo Cross Hole presentano l indubbio vantaggio di impostare il percorso dell onda probabilmente solo all interno di un solo strato le prove Down e Up Giovanni B. Fenelli Lezione 8 22/24

23 hole impongono un percorso che probabilmente attraverserà più strati; in fine il Bottom hole, riducendo il percorso dovrebbe interessare un solo strato. Figura 22 - Misure geofisiche in foro - Schemi più comuni (S sorgente R ricevitore) Nelle misure di superficie sia la sorgente sia i ricevitori sono disposti sul piano campagna e quindi non richiedo l esecuzione di sondaggi con conseguenza riduzione dei costi e dei tempi di esecuzione. Nella Figura 23 sono riportati gli schemi di più frequente utilizzo. a) b) c) Figura 23 - Schemi dei metodi sismici: a) a riflessione, b) a rifrazione, c) SASW Giovanni B. Fenelli Lezione 8 23/24

24 5. Controlli L esecuzione di misure è necessaria non solo nelle fasi di sviluppo delle indagini per la progettazione delle opere ma anche nella fase dei lavori e post costruzione. Le misure ed i controlli hanno diverse finalità ed in particolare: accertare le previsioni di progetto; accertare la corretta esecuzione delle opere; accertare nel tempo il buon funzionamento degli interventi. Per quanto riguarda il primo punto si pensa alle prove di carico su pali pilota o su tiranti pilota per verificare le previsioni progettuali, è, infatti, noto, che il carico di rottura dei pali e dei tiranti può dipendere in modo significativo dalle modalità ed accorgimenti costruttivi. Sorge ancora la necessità di verificare la corretta esecuzione delle opere quali i già ricordati pali e tiranti, ma anche la compattazione delle opere di terra ecc. L osservazione, attraverso misure strumentali, del comportamento di opere di ingegneria nel tempo può consentire di cogliere anomalie e malfunzionamenti prima che questi si manifestino in modo evidente attraverso vistose deformazioni, fratture e quant altro. La strumentazione può quindi consentire di intervenire prima che si manifesti il danneggiamento dell opera. Ma anche nelle fasi di costruzione, l osservazione di quanto già realizzato, può fornire indicazioni su come procedere nelle fasi successive; sono classiche le misure sui rivestimenti provvisori o parziali delle gallerie. Il piano delle misure e dei controlli necessita, tuttavia, di una chiara finalità e di un inserimento dei dati che si acquisiscono in modelli matematici che ne consentano l interpretazione e quindi ne garantiscano l utilità. Una volta impiantata la strumentazione essa deve essere interrogata con continuità, i risultati immediatamente elaborati per cogliere le anomalie o il cattivo funzionamento di alcuni strumenti. Gli strumenti che si utilizzano sono sostanzialmente quelli elencati in precedenza si deve solo ricordare l importanza delle misure topografiche. 6. Bibliografia essenziale ASSOCIAZIONE GEOTECNICA ITALIANA (1977) Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche C. VIGGIANI (1999) Fondazioni Hevelius Edizioni Benevento R. LANCELLOTTA (1987) Geotecnica II edizione Zanichelli Milano P. COLOMBO, F. COLLESELLI (1996) Elementi di Geotecnica Zanichelli Milano A.A. VARI (1993) Manuale di Ingegneria Civile vol. 3 Zanichelli Milano Giovanni B. Fenelli Lezione 8 24/24