Ingegneria Geotecnica. La Spezia, 14 ottobre Caratterizzazione Geotecnica. modello geotecnico del sito. Prove in sito

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1 Corso di aggiornamento professionale avanzato Ingegneria Geotecnica La Spezia, 14 ottobre 2011 Caratterizzazione Geotecnica modello geotecnico del sito Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica Sommario Caratterizzazione geotecnica dei siti Programmazione delle indagini Sondaggi Richiami sul comportamento meccanico dei terreni Prove in laboratorio sabbie argille Prove penetrometriche (SPT, CPT) Correlazioni con parametri geotecnici Accertamenti stratigrafici Altre prove in sito Scissometrica Pressiometrica Dilatometrica 1

2 NTC 08 Modello geotecnico Stratigrafia (anche di dettaglio) Caratteristiche macro e mega-strutturali Condizioni di falda Storia tensionale (OCR ) Stato tensionale geostatico ( k 0 ) Caratteristiche meccaniche (resistenza, deformabilità) Caratteristiche idrauliche (permeabilità) 2

3 Indagini Indagini e prove in sito Prove di laboratorio Modelli in scala Analisi delle opere in vera grandezza Programmazione delle indagini Scopo : Raccolta informazioni sufficienti alla scelta della soluzione Evidenziare eventuali problemi in fase esecutiva Evidenziare potenziali rischi di natura geotecnica/geologica Fornire i valori (campo di variazione) dei parametri significativi Occorre decidere : Numero e tipo di prove Ubicazione Profondità Necessita di un adeguato modello geologico dell area (NTC08: ) Possibilità di variare il Programma di Indagini in corso d opera 3

4 Programmazione delle indagini Dipende da : lmportanza del progetto Fase di sviluppo del progetto Complessità geologica del sito LIMITE ECONOMICO! Attenta analisi dei risultati (in corso d opera) Esperienza Grandi economie Caratterizzazione Geotecnica Numero delle verticali Strutture ordinarie: almeno 3 4 sondaggi agli spigoli dell area (eventuale infittimento delle verticali con prove CPT) Aree estese: almeno 1 verticale ogni m 2 Aree nastriformi: 1 verticale ogni m lungo l asse, con allineamenti trasversali 4

5 Scelta del tipo di opera o d intervento e programmazione delle indagini geotecniche Studio della risposta sismica locale e analisi dinamiche 1D o 2D (Lancellotta, 2004) Accertamenti stratigrafici Diretti (visione del materiale) Indiretti (misura di proprietà indice) Piezometri Prove penetrometriche (SPT e CPT / CPTU) Prova scissometrica Prove pressiometriche Prove dilatometriche (Mayne et al., 2002) Prove sismiche (geofisiche) : Down- Cross-Hole 5

6 Indagini in sito Vantaggi: Rapide ed economiche Descrizione continua (o quasi) Volume di terreno maggiore Terreno indisturbato Terreni a grana grossa (uniche possibili) Svantaggi: Incertezze sulle condizioni al contorno Incertezze sulle condizioni di drenaggio Stato tensionale e deformativo con forti gradienti Correlazioni empiriche con: Prove di Laboratorio Back Analysis Camera di Calibrazione. Accertamenti stratigrafici Diretti Scavi ispezionabili ( Pozzetti ) Cunicoli e trincee Perforazioni di sondaggio Campionamento Indiretti Prove Geofisiche Prove penetrometriche Prove dilatometriche Eseguire SEMPRE un accertamento stratigrafico diretto! 6

7 Perforazioni di sondaggio Trivellazione Percussione Rotazione non consentono una ricostruzione dettagliata della stratigrafia Carotiere semplice Perforazioni di sondaggio 7

8 Prova penetrometrica statica (CPT) Prova penetrometrica statica (CPT) (Lancellotta) Punta meccanica (Begemann) 2 aste coassiali prova discontinua misura forze in testa Punta elettrica infissione continua misura forze locale possibilità di aggiungere altri sensori 8

9 Prova penetrometrica statica (CPT) Cone Penetration Test (CPT) Infissione per spinta di una punta conica con velocità v = 20 mm/s Non occorre la perforazione di sondaggio Si misura: QC Q S Q q C = A Q f S = A C C S S Resistenza alla punta Resistenza sul manicotto laterale f FR= q S c Friction Ratio qc è molto più affidabile e ripetibile della fs Ripetibilità di SPT e CPT (Jefferies and Been, 2006) 9

10 Prova penetrometrica statica (CPT) Profilo stratigrafico Argille: q C 0 3 MPa Sabbie: q C 2 30 MPa q C dipende da φ Nei terreni a grana fine: rottura non drenata u> 0 (Lancellotta) Prova penetrometrica statica (CPT) Profilo stratigrafico Robertson e Campanella (1988) Soil Behavior Type (Robertson et al., 1986; Robertson & Campanella, 1988) 1 Sensitive fine grained 5 Clayey silt to silty clay 9 sand 2 Organic material 6 Sandy silt to silty sand 10 Gravelly sand to sand 3 Clay 7 Silty sand to sandy silt 11 Very stiff fine grained* 4 Silty clay to clay 8 Sand to silty sand 12 Sand to clayey sand* *Note: Overconsolidated or cemented 1 0

11 Prova penetrometrica statica (CPT) Taratura del profilo di q c con dei sondaggi a carotaggio continuo!!! Vantaggioso per infittire le colonne stratigrafiche in terreni con grande variabilità Prova penetrometrica statica (CPT) Per caratterizzare correttamente i depositi teneri richiedere una punta con doppia cella di carico con fondo scala 0,5 MPa e 50 MPa Sensibilità nel rilievo stratigrafico : qc dipende da fenomeni di scala strato sabbia densa in argilla tenera strato argilla in sabbia densa h min per individuare: Dpunta 40 cm hmin 6 8 Dpunta cm 11

12 Piezocono (CPTU) Aggiunta di un sensore per la misura della pressione dell acqua nei pori (U) Incremento delle potenzialità dello strumento Maggiori difficoltà esecutive (saturazione dei circuiti) (Lancellotta) Piezocono (CPTU) Profilo stratigrafico di grande dettaglio! La U non risente dei fenomeni di scala! misura del livello piezometrico (Lancellotta) 12

13 Prova penetrometrica statica (CPT) Per indagini profonde richiedere una punta con inclinometro (Lancellotta) Principio delle tensioni efficaci Terzaghi (1936) Problema fondamentale della meccanica delle terre: ripartizione dello stato di sforzo tra la fase solida e la fase liquida Lo stato di tensione in un punto può essere definito tramite la conoscenza delle tre tensioni principali totali: σ I, σ II, σ III Se lo spazio intergranulare è riempito con acqua avente pressione u, le tensioni totali possono scomporsi in due parti: una di esse, chiamata pressione neutra u, agisce sull'acqua e sui grani in ogni direzione con uguale intensità Le differenze: σ σi= σ 1 u σ σii= σ II u σ σiii= σ III u rappresentano le tensioni, in eccesso rispetto alla pressione neutra, che hanno sede nella fase solida. Queste frazioni delle tensioni totali sono definite tensioni efficaci Tutti gli effetti misurabili prodotti da un cambio dello stato di sforzo, quali compressione, distorsione e variazione della resistenza al taglio, sono dovuti esclusivamente ad un cambio delle tensioni efficaci Di conseguenza ogni indagine di stabilità di un mezzo saturo richiede la conoscenza sia delle tensioni totali sia delle pressioni neutre 13

14 Piezometri La conoscenza dei livelli di falda è uno degli aspetti più importanti della caratterizzazione geotecnica Troppo spesso ne viene sottovalutata l importanza! Il comportamento dei terreni dipende dalle tensioni efficaci (Lambe, 1997) Non è una operazione di routine e richiede : esperienza e scrupolosa cura dei dettagli Campionamento Campionatore Osterberg (Lancellotta) 14

15 Prove di laboratorio Vantaggi: Condizioni al contorno ben definite Controllo delle condizioni di drenaggio Percorsi tensionali noti e/o controllabili Stato tensionale e deformativo uniformi Caratterizzazione del materiale Svantaggi: Campioni indisturbati Terreni incoerenti Disturbo Volume ridotto dei campioni Valori puntuali Costi e tempi Determinazione sperimentale dei parametri di resistenza al taglio 15

16 τ Criterio di rottura di Mohr-Coulomb 1 tan ϕ ' τ = σ tan ϕ ' σ 3 σ 1 σ Criterio espresso in termini di tensioni principali σ ' 1 = σ ' sin ϕ ' 1 sin ϕ ' Prove TXC (sabbie) σ ' σ ' 1 3 Influenza dell indice dei vuoti sul comportamento meccanico di una sabbia N.B. Nella figura la tensione di confinamento è costante ε z [%] ε = + v ( ε ε ) [%] z 2 r (Lancellotta, 2004) 16

17 Prove TXC (sabbie) σ ' 1 σ ' 3 Influenza della tensione di confinamento sul comportamento meccanico di una sabbia (a parità di indice dei vuoti) ε z [%] ε = + v ( ε ε ) [%] z 2 r (Lancellotta, 2004) Inviluppo di rottura curvilineo τ Curvatura dell inviluppo di rottura A B C σ (Lancellotta, 2004) 17

18 Inviluppo di rottura curvilineo τ 900 sabbia di Hokksund σ (Lancellotta, 2004) Resistenza al taglio delle sabbie Il valore di picco dell angolo di resistenza al taglio non è una proprietà del materiale ma un parametro dipendente dalle condizioni di stato DI ϕ ϕ ' < ' o cv = mdi 12 ' = D ( 10 lnp ) 1 R f m=3 (assialsimmetria) m=5 (condizioni di deformazione piana) p f espressa in kpa (Bolton, 1986) 18

19 Stima dell angolo di resistenza al taglio Stima dell angolo di resistenza al taglio a volume costante è un parametro del terreno (mineralogia, granulometria, forma grani) può essere valutato da prove su materiale ricostituito per terreni quarzosi φ' CV φ' CV Stima dello stato di addensamento in sito (Densità Relativa D R ) Valutazione del livello tensionale medio a rottura p ' f σ 1+ σ 2+ σ 3 p' = 3 Stima dell angolo di resistenza al taglio p ' f q LIM p' f σ V 0 (Lancellotta) Bolton (1984) φ = φ + m [ D ( 10 lnp ) 1] CV R f φ φ CV 12 p' f [ kpa] D R [decimali] m 3 assialsimmetrico 5 deformazione piana 19

20 Prova penetrometrica dinamica (SPT) Prova penetrometrica dinamica Standard Penetration Test (SPT) Standard Cone Penetration Test (SCPT) Prova penetrometrica dinamica (SPT) N1 N2 NSPT=N2+ N3 N3 (Mayne et al., 2002) 20

21 Prova penetrometrica dinamica (SPT) Risultato della prova: N SPT = N 2 + N 3 n colpi / 30 cm, n colpi / piede Profondità Se N1 o N2 o N3 = 50 Rifiuto: R (avanzamento in cm per 50 colpi) Profondità 1 R (12 ) Prova penetrometrica dinamica (SPT) Prova economica, molto diffusa Prova standardizzata da molti decenni (grande mole di risultati per correlazioni) Prelievo di un campione disturbato Prova impulsiva (poco attendibile per terreni a grana fine) Influenza di u Risultati discontinui con la profondità Correzioni: Sabbie limose sotto falda: se N SPT > 15 N c = ,5 (N SPT 15 ) Punta conica (depositi ghiaiosi): N c = 1,25 N SPT Numerose correlazioni empiriche di progetto Camera di calibrazione 21

22 Prova penetrometrica dinamica (SPT) Terzaghi Peck (1948) Stima della Densità Relativa N SPT > 50 D R molto sciolta sciolta media densa molto densa Gibbs - Holtz (1957) camera di calibrazione Influenza della profondità Prove CPT Stima della D R da q c (Lancellotta,, 1983) 22

23 Istruzioni Norme Tecniche NTC 2008 Scelta dei valori caratteristici Nei materiali con comportamento rammollente, la scelta dei parametri deve tener conto del fenomeno di Rottura Progressiva (Lancellotta) 23

24 Argille tenere Criterio di rottura nel piano ( p, q ) Parametri tensionali σ p = q = σ z + 2 σ 3 σ = σz r r 24

25 q q (Lancellotta, 2004) ε s [%] p' ε v [%] Esempio di prova drenata sull'argilla ricostituita di Pisa q Percorsi drenati e curva di stato critico dell'argilla ricostituita di Pisa v =1+e p' p' (Lancellotta, 2004) 25

26 Argille consistenti Argille consistenti Argilla di Todi: Prova triassiale non consolidata non drenata con misura della pressione interstiziale (Burland,, 1990) 26

27 Argille consistenti Argille consistenti τ Interpretazione convenzionale ' τ = σ tanϕ+c ' ' A B C D σ 27

28 Resistenza residua Argilla di Santa Barbara (Calabresi e Manfredini, 1973) Resistenza residua Valore caratteristico per riattivazione frane Argilla di Santa Barbara (Calabresi e Manfredini, 1973) 28

29 Analisi di stabilità in condizioni non drenate: resistenza al taglio non drenata s u Inviluppo di rottura in termini di tensioni totali τ Prove UU ϕ = 0 s u σ 3 σ 1 σ Prove CIU (consolidazione isotropa rottura non drenata) q q ε S p' u (Lancellotta, 2004) Esempio di prova non drenata (argilla di Pisa) 29

30 Prove CIU (consolidazione isotropa rottura non drenata) q CSL 1 M u q r =2S u p 1 p 2 p 3 p,p La resistenza al taglio non drenata non è una proprietà del materiale ma un parametro dipendente dalle condizioni di stato Prova Scissometrica (FV) Field Vane Test ( FV ) Misura della resistenza al taglio iniziale s U nelle argille di bassa e media consistenza Semplice, affidabile, ripetibile (Lancellotta) 30

31 Prova Scissometrica (FV) Si infigge lo strumento nel terreno a velocità costante ( 20 mm/s) Tempo di attesa dopo l infissione: 2 5 min si applica una coppia M torcente M max velocità di rotazione costante: 6 12 / min H D = 2 s U 6M 7 π D max ( FV) = 3 Dopo la rottura si eseguono 10 rapide rotazioni dello strumento, dopodichè si ripete la prova e si misura la s U del terreno rimaneggiato (Lancellotta) Sensitività: s S t = s U ( max) ( riman) U Prova Scissometrica (FV) Per effetto dell anisotropia e della velocità di rottura, la resistenza media lungo una potenziale superficie di rottura può essere diversa da quella misurata con lo scissometro (Lancellotta) Bjerrum (1972) 31

32 Prove Pressiometriche Pressiometro Menard Pressiometro autoperforante Diametro sonda: 44 / 58 mm (Lancellotta) (a) Pafsor (b) Camkometer (80 mm) Prove Pressiometriche Misura della resistenza al taglio non drenata s U nelle argille (Lancellotta) pl tensione limite δσ r= a = pl+ su ln δv V 32

33 Prove Pressiometriche La resistenza s U non è un parametro del terreno dipende dallo stato iniziale e dal percorso tensionale (Lancellotta) Dipendenza della s u dal percorso di carico (Jamiolkowski et al., 1985) s = 03 ' u Resistenza operativa σvo (Koutsoftas e Ladd,, 1985) 0. 8 ( 0.22± 0. ) OCR 33

34 Percorsi di carico lungo una superficie di scivolamento A σ 1 σ 1 σ 1 C B Prova Penetrometrica Statica (CPT) Stima della resistenza al taglio non drenata s U nelle argille la resistenza alla punta q C = s σ V 0 U C + σ q C V 0 viene assimilata alla portata alla punta di un palo q σ C V 0 su = C è la tensione verticale totale agente alla quota della punta C da correlazioni empiriche con altre prove: Baligh (1980) Kjekstad (1978) Argille bassa e media consistenza (Vane Test) Argille OC non fessurate (TX-C) C =17 ( ± 5) C =14 ( ± 33% ) 34

35 Spinta a riposo Prove Pressiometriche Misura della tensione orizzontale efficace σ h0 Coefficiente di spinta a riposo k 0 σ = σ h0 v0 (Lancellotta) Prove Pressiometriche σ r 0 Rapporto tra la tensione radiale iniziale misurata con pressiometro autoperforante e la stima della tensione orizzontale σ h0 (Lancellotta) 35

36 Prove Dilatometriche (DMT) Dilatometro piatto di Marchetti (1975) (Lancellotta) Prove Dilatometriche (DMT) Infissione a v=20 mm/s Arresto ogni 200 mm Prova dilatometrica: p 0, p 1 p 0 inizio deformazione p 1 spostamento s=1,1 mm 36

37 Prove Dilatometriche (DMT) Valutazione dello stato tensionale iniziale (k 0 ) Indice K D = p0 u σ V 0 0 K 0.46 K 0 = D βk 0.6 β dipende dal tipo di terreno K (Lancellotta) Applicabilità delle prove in sito (Mayne et al, 2002) 37

38 Per approfondimenti AGI (1977) Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche Cestari F. (2005) Prove Geotecniche in sito Ediz. Geo-Graph, 3 ed. Jamiolkowski M., Ladd C.C., Germaine J.T., Lancellotta R. (1985) New developments in field and laboratory testing of soils Theme Lecture, XI ICSMFE, San Francisco Lancellotta R. (2004) Geotecnica Zanichelli (2 e 3 ediz) Marchetti S., Monaco P., Totani G., Calabrese M. (2001) Il Dilatometro Piatto (DMT) nelle indagini geotecniche. Rapporto del Comitato Tecnico TC16 della ISSMGE Atti delle Conferenze di Geotecnica di Torino, XVIII ciclo Mayne P.W., Christopher B.R., DeJong J. (2001) - Manual on Subsurface Investigations - National Highway Institute, Publication No. FHWA NHI , Federal Highway Administration, Washington, DC Grazie per l attenzione! Un ringraziamento particolare ai proff. Renato Lancellotta e Daniele Costanzo, che hanno messo a disposizione parte del materiale didattico In uscita in libreria: 38