1. CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEI TERRENI DI FONDAZIONE

Transcript

1 1. CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEI TERRENI DI FONDAZIONE 1.1 Ricostruzione Stratigrafica Nella ricerca di una rappresentazione sintetica, ma sufficientemente approssimata, della natura e delle caratteristiche del sottosuolo si sono individuate 6 unità litologiche distinte, denominate Riporto R e Terreni T1-T5. La loro descrizione litologica si è ottenuta semplificando e sintetizzando quella molto dettagliata dei rapporti di perforazione e di laboratorio, sulla base delle osservazioni dirette delle carote e dei campioni, ponendo in evidenza i caratteri essenziali e più facilmente identificabili. Le superfici di separazione dei diversi terreni sono state individuate utilizzando contemporaneamente le descrizioni litologiche delle carote e le prove penetrometriche. Queste ultime permettono infatti di individuare facilmente le disuniformità granulometriche in base alle variazioni dei valori di resistenza alla punta e laterale e dei loro rapporti. La stratigrafia risulta ben definita e l unica sezione stratigrafica dedotta dalle indagini, riportata in Figura 1, fornisce un quadro completo e chiaro della descrizione del sottosuolo. Gli strati sono caratterizzati da una giacitura sostanzialmente orizzontale; in particolare, facendo riferimento alla quota del piano campagna, di circa 18 m s.l.m., si sono individuate le seguenti stratificazioni (Figura 1): - Riporto R: Terreno di riporto eterogeneo ed eterometrico, poco addensato, costituito da livelli sabbio-limosi alternati a livelli sabbiosi, con intercalazioni di trovanti tufacei, pozzolane e laterizi. Lo spessore è di circa 8 m. - Terreno T1: Limo con argilla debolmente sabbioso di colore verdastro, con screziature organiche nerastre, mediamente consistente. La frazione sabbiosa tende ad aumentare gradualmente con la profondità. Lo spessore è pari a 6 m circa. - Terreno T2: Sabbia limosa poco addensata, con intercalazioni limose e limo-sabbiose, di colore marrone. Lo strato ha uno spessore di 5 m circa. - Terreno T3: Sabbie sciolte da fini a medie, di colore grigio, con incluse intercalazioni limose. Lo spessore è di circa 13.5 m. - Terreno T4: Limo con argilla di colore grigio-azzurro, consistente, con intercalazioni sabbiose e rare inclusioni ghiaiose. Sono presenti anche tracce organiche. Lo spessore è di 22 m circa. - Terreno T5: Ghiaia a matrice sabbiosa grigiastra, ben addensata, con clasti eterometrici, prevalentemente carbonatici, non gradati.

2 Nella sezione stratigrafica è inoltre mostrata l ubicazione delle celle piezometriche installate nell area in esame, unitamente alle quote piezometriche misurate. Dalle osservazioni si deduce, per i terreni in esame, un regime idrostatico con superficie piezometrica a circa 11 m di profondità dal piano campagna, praticamente coincidente con il livello del Tevere. 1.2 Caratteristiche Meccaniche dei Terreni Nel seguito vengono analizzate le caratteristiche meccaniche delle diverse unità litologiche individuate, come risultano dalle indagini in sito ed in laboratorio effettuate in precedenza, e rese disponibili per le analisi. Per ogni terreno sono stati inizialmente esaminati i risultati delle analisi di identificazione e classificazione geotecnica. Si sono poi esaminate le caratteristiche di resistenza e deformabilità che hanno maggiore influenza sull impostazione generale del progetto in esame. L analisi è stata eseguita utilizzando le informazioni desunte dalle indagini in sito ed in laboratorio. I risultati delle prove di laboratorio, riferite alle varie unità stratigrafiche, sono riportati nelle Tabella 1 e Tabella 2, quelli delle prove in sito nella Tabella 3. La compressibilità degli strati coesivi è stata caratterizzata attraverso l analisi delle prove edometriche, dalle quali sono stati ricavati gli indici di compressione e di rigonfiamento C c e C s, la tensione verticale di preconsolidazione σ vc, il coefficiente di consolidazione C v e il grado di sovraconsolidazione OCR. Le caratteristiche di resistenza espresse in termini di tensioni efficaci (c, φ') sono state ricavate dall analisi delle prove di compressione triassiale consolidate non drenate e delle prove di taglio diretto, effettuate in laboratorio su campioni indisturbati. La resistenza al taglio in condizioni non drenate è stata valutata utilizzando i risultati delle prove di compressione triassiale non consolidate non drenate e quelli delle prove penetrometriche statiche. Per queste ultime la resistenza non drenata C u è stata determinata attraverso la relazione: C u qc σ = N c v che deriva dall'analogia tra la resistenza alla punta del penetrometro e la capacità portante alla base di un palo, nelle condizioni di breve termine. Per la classificazione e la caratterizzazione dei terreni incoerenti, dove è risultato impossibile il prelievo di campioni indisturbati, ci si è avvalsi di diagrammi e relazioni empiriche, applicabili alle prove penetrometriche effettuate in sito. In particolare sono stati utilizzati il diagramma di Robertson & Campanella (1982) che lega la resistenza alla punta al friction ratio (FR) e alla

3 granulometria del deposito attraversato (Figura 2), e il diagramma di Durgunoglu & Mitchell (1975) che correla la resistenza alla punta e la tensione efficace verticale all angolo di attrito (Figura 3). Le caratteristiche di deformabilità sono state valutate nell ipotesi che il comportamento meccanico dei terreni in condizioni distanti dalla rottura sia linearmente elastico. A tale scopo sono stati selezionati valori medi del modulo di Young E e del coefficiente di Poisson ν rappresentativi del campo delle deformazioni che generalmente si producono, in condizioni di esercizio, nei problemi di interazione terreno-struttura. Per i terreni incoerenti la determinazione dei parametri di deformabilità mediante prove di laboratorio può essere affetta da notevoli incertezze, risultando estremamente difficile in questo caso il prelievo di campioni indisturbati. Si è fatto quindi uso di alcune correlazioni empiriche tra la resistenza alla punta misurata in prove penetrometriche statiche e il modulo di taglio iniziale G o. È però opportuno ricordare che stimare un modulo di rigidezza a partire dalla resistenza alla punta misurata nelle prove penetrometriche statiche o dinamiche può condurre a valori approssimati per difetto della rigidezza, considerato che il comportamento meccanico dei terreni è fortemente non lineare a partire dai bassi livelli di deformazione e che le prove penetrometriche, causando la rottura del terreno attraversato, generano livelli deformativi decisamente più elevati di quelli tipici dei problemi di interazione terreno-struttura in condizioni di esercizio. La relazione utilizzata lega il modulo di rigidezza al taglio iniziale G o alla resistenza alla punta del penetrometro statico (Robertson e Campanella, 1982). Il modulo di taglio G è stato valutato nell intervallo di deformazioni comprese fra 0.01 e 0.1%, che è quello tipico dei problemi di interazione terreno struttura nelle opere di scavo, a partire dal valore stimato per G o ; utilizzando la curva di decadimento del modulo di taglio normalizzato G/G 0 in funzione della deformazione di taglio γ e della tensione litostatica efficace σ vo (Kokusho, 1980) si ottiene G G 0 /3. Per i terreni coesivi si è invece assunto un valore del rapporto E u /C u = 800. Dalle relazioni G = E u /3 ed E = 2G(1+ν ), con ν = 0.3, si è quindi ricavata una stima del modulo di Young E. Le osservazioni sperimentali ottenute dalle prove in sito e in laboratorio sono esaminate nel seguito per ciascuna delle unità litologiche individuate. Terreno di riporto R Il terreno di riporto è fortemente eterogeneo. La caratterizzazione di tale strato è possibile solo mediante le prove penetrometriche eseguite in sito, non avendo a disposizione campioni per indagini di laboratorio, a causa delle difficoltà di campionamento. I risultati sperimentali mostrano che la natura del terreno di riporto è da sabbio-limosa a limo-sabbiosa (Figura 2) (Robertson e

4 Campanella, 1982) con una stima dell angolo di resistenza al taglio φ di circa 32 (Figura 3) (Durgunoglu e Mitchell, 1975). Per il peso medio dell unità di volume si è assunto γ = 19 kn/m 3. Dal diagramma di Figura 4 si ottiene un valore del modulo di taglio iniziale G 0 = 30.8 MPa, e quindi un valore di G = 10 MPa, cui corrisponde E = 26 MPa. Terreno T1 - Limo con argilla L unico campione prelevato in questo strato ha fornito valori della frazione argillosa e di quella limosa pari rispettivamente al 35 % e al 58 %, mentre la percentuale di sabbia è di circa il 7 %. Il peso unitario medio è γ = 19.5 kn/m 3 e il contenuto in acqua è w o = 26.5 %. Il limite di liquidità e l indice di plasticità assumono rispettivamente i valori W L = 41 % e I p = 22%. L indice di consistenza vale I c = 0.64, tipico dei terreni di media consistenza. Il diagramma di Robertson e Campanella (1982), che lega la resistenza alla punta q c al friction ratio FR, conferma la natura limoargillosa dello strato in esame (Figura 2). L indice dei pori iniziale, l indice di compressibilità e l indice di rigonfiamento, determinati mediante prova edometrica, valgono e o = 0.720, C c = 0.28 e C s = 0.06 mentre il grado di sovraconsolidazione è OCR = 1. L inviluppo di resistenza determinato da prove drenate di compressione triassiale è caratterizzato da un intercetta di coesione c = 9 kpa e un angolo di resistenza al taglio φ = 31 (Figura 5). Le prove triassiali non consolidate non drenate hanno fornito un valore medio della coesione non drenata C u = 75 kpa. Dalle prove in sito si è invece ottenuto un valore di C u maggiore e pari a circa 114 kpa ( 3), pur avendo utilizzato un valore cautelativo per N c pari a 20; nelle analisi si è ritenuto opportuno impiegare il valore medio C u = 95 kpa. Da codesto valore si è ricavato E u = 76 MPa e quindi G = 25.3 MPa cui corrisponde E = 65.8 MPa. Terreno T2 - Sabbia limosa Lo strato in esame è a granulometria eterogenea, con la frazione limosa compresa tra il 38.5 % e il 51.5 % e quella sabbiosa fra il 30 % e l 80 % circa. La percentuale di argilla varia fra l 11.5 % e il 17 %. Diagrammando la resistenza alla punta q c in funzione del friction ratio FR (Figura 2) si ricade nella zona compresa fra le sabbie limose e i limi sabbiosi. I valori medi del peso unitario e del contenuto in acqua sono γ = 19 kn/m 3 e w o = 30.8 %. Visto l andamento della resistenza alla punta e del friction ratio con la profondità, si è ritenuto opportuno assimilare questo strato ad un

5 terreno incoerente, nonostante una non trascurabile frazione limosa gli conferisca una discreta plasticità. Sui due campioni prelevati sono state effettuate prove di taglio diretto, i cui risultati, diagrammati nel piano τ-σ (Figura 6), hanno fornito valori della coesione e dell angolo di attrito pari a c = 9 kpa e φ = 33. Tuttavia la correlazione di Dorgunoglu e Mitchell (1975) (Figura 3) fornisce un valore minore dell angolo di attrito φ < 32. Nelle analisi si è assunto, a favore di sicurezza, φ = 31 e c' = 0. Il diagramma di Robertson & Campanella (1982) ha permesso di stimare il modulo di taglio iniziale G o = 20 MPa (Figura 4) a partire dal quale si è ricavato G = 7.0 MPa e quindi E' = 2 G (1+ν') = 18.2 MPa. Terreno T3 - Sabbia In questo strato, dall unico campione prelevato non è stato possibile effettuare alcuna prova a causa dei sensibili disturbi di campionamento. Necessariamente ci si è dovuti avvalere dei risultati delle prove in sito per poter procedere alla caratterizzazione dell unità stratigrafica in esame. 32. Dalla correlazione di Durgunoglu e Mitchell (1975) diagrammata in Figura 3, si ottiene φ Per la determinazione dei parametri di deformabilità, in maniera analoga a quanto fatto in precedenza si è prima ricavato il valore del modulo di taglio iniziale G o = 113 MPa (Figura 4) e quindi G = 38 MPa (Figura 5) cui corrisponde: E' = 2 G ( 1+ ν ') = 99 MPa. Terreno T4 - Limo con argilla L unità litologica in esame è stata caratterizzata esclusivamente mediante prove di laboratorio, dal momento che le prove penetrometriche statiche sono andate a rifiuto all altezza del letto dello strato precedente. Le frazioni limose e argillose di questo strato, come mostrato nella Tabella 1, variano fra il 51 % e il 70 % e fra il 23.5 % e il 49 % rispettivamente, mentre la percentuale di sabbia è compresa tra il 2 % e il 6.5 % circa. Il peso unitario medio è γ = 19.2 kn/m 3 e il contenuto in acqua è w o = 27.69%. Il limite di liquidità vale W L = 43 %, l indice di plasticità I p = 23 %. L indice di consistenza assume un valore I c = 0.66, caratteristico dei terreni mediamente consistenti.

6 Dalle prove di compressione edometrica sono stati ricavati i valori dell indice dei vuoti iniziale e o = 0.755, degli indici di compressibilità e di rigonfiamento C c = 0.27 e C s = 0.04, nonché il grado di sovraconsolidazione OCR = 1, corrispondente a un deposito normalmente consolidato. Le prove di compressione triassiale consolidate non drenate hanno fornito le caratteristiche di resistenza in termini di tensioni efficaci: c = 7 kpa e φ = 28 (Figura 7). La resistenza al taglio in condizioni non drenate, ottenuta dalle prove triassiali non consolidate non drenate, è risultata pari a C u = 97.5 kpa. Successivamente si è ricavato E u = 800 = 78 MPa con G = Eu 3= 26 MPa e E' = 2 G ( 1+ ν') = MPa. C u Terreno T5 - Ghiaia In questo strato, situato a profondità superiori ai 54 m, non è stata effettuata alcuna prova, né in sito né in laboratorio. Sono stati perciò assunti valori tipici delle proprietà meccaniche : γ = 20 kn/m 3, c = 0, φ = 40, G = 80 MPa cui corrisponde, per ν = 0.3, E = 208 MPa. 1.3 Considerazioni conclusive La caratterizzazione dei terreni di fondazione ha permesso di ricostruire la sezione stratigrafica illustrata in Figura 1, costituita da una successione di strati orizzontali le cui caratteristiche meccaniche sono riassunte nella Tabella 4. I primi 8 m sono costituiti da terreno di riporto R, incoerente, per il quale è stato assunto φ = 32 ed E = 41.3 MPa. Lo strato successivo, spesso 6 m circa, è costituito da limo con argilla normalmente consolidato, mediamente consistente, caratterizzato dai parametri di resistenza e deformabilità: C u = 95 kpa e E u = 76 MPa per le condizioni di breve termine e c = 9 kpa, φ = 31 e E = 65.8 MPa per le condizioni di lungo termine. Da m 14 a m 19 circa è presente uno strato di sabbia limosa per il quale si è assunto φ = 31 e E = 18.2 MPa. I successivi 13 m sono costituiti da sabbia mediamente addensata, per la quale φ = 32 e E = 99 MPa. Lo strato seguente, spesso 22 m, è costituito da limo con argilla consistente in condizioni di normal consolidazione, caratterizzato da parametri di resistenza C u = 97.5 kpa in termini di tensioni totali e c = 7 kpa e φ = 28 in termini di tensioni efficaci, e da parametri di deformabilità E u = 78 MPa per le condizioni di breve termine e E = 67.6 MPa per le condizioni di lungo termine. Oltre i 54 m di profondità inizia uno strato di ghiaia addensata. In tab. 3.4 sono riportati, per i terreni in esame, i valori dell angolo di dilatanza ψ e del coefficiente di permeabilità K adoperati nelle analisi.

7 Mediante le misure fornite dalle celle piezometriche si è dedotto un regime idrostatico delle pressioni interstiziali con superficie piezometrica situata a circa 11 m di profondità dal piano di campagna.

8 TABELLE Tabella 1 Risultati delle prove di laboratorio riferiti alle varie unità stratigrafiche: caratteristiche generali

9 Tabella 2 Risultati delle prove di laboratorio riferiti alle varie unità stratigrafiche: caratteristiche meccaniche

10 Tabella 3 Risultati delle prove in sito Tabella 4 Proprietà meccaniche assunte nelle analisi

11 FIGURE Figura 1 Sezione geotecnica

12 100 Riporto (0-8.2 m) CPT1 qc (MPa) 10 S SL L-LS LA-AL A CPT FR (%) T1 ( m) CPT1 qc (MPa) 10 S SL L-LS LA-AL A CPT FR (%) 4 6

13 100 T2 ( m) CPT1 CPT2 10 S SL L-LS qc (MPa) LA-AL A FR (%) T3 ( m) CPT1 qc (MPa) 10 S SL L-LS LA-AL A CPT FR (%) 4 6 Figura 2 Prove penetrometriche: relazioni empiriche di Robertson & Campanella (1982) per la determinazione della granulometria.

14 qc (MPa) qc (MPa) σ' v (kpa) 250 σ' v (kpa) Figura 3 Prove penetrometriche: relazioni empiriche di Durgunoglu & Mitchell (1975) per la determinazione dell angolo di resistenza a taglio.

15 MODULO DI DEFORMAZIONE PER TAGLIO Gmax [kg/cm 2 ] Figura 4 Prove penetrometriche: relazioni empiriche di Robertson e Campanella, 1982 per la determinazione del modulo di rigidezza a taglio

16 q (KPa) Terreno T1 c' = 9 KPa ; φ ' = p' (KPa) Figura 5 Prove drenate di compressione triassiale: determinazione dei parametri di resistenza per il terreno T τ (KPa) Terreno T2 c' = 9 KPa ; φ ' = σ ' (KPa) Figura 6 Prove di taglio diretto: determinazione dei parametri di resistenza per il terreno T2

17 q (KPa) Terreno T4 c' = 7 KPa ; φ ' = p' (KPa) Figura 7 Prove di compressione triassiale consolidate non drenate: determinazione dei parametri di resistenza per il terreno T4

18 APPENDICE CPT1 CPT2 Cu (MPa) Cu (MPa) Profondità (m) Profondità (m) CPT1 CPT2 Cu (MPa) Cu (MPa) Profondità (m) Profondità (m) Determinazione della coesione non drenata Cu da prove penetro metriche statiche 20

19 q (MPa) c R T1 T2_A T2_B T T4 Stratigrafia 54.0 T5

20 Roma - Via Cardinal De Luca e 0 C c C V (m 2 /s) C αe C u (kpa) x10-8 1x10-7 1x profondità (m) Andamento delle principali caratteristiche fisiche con la profondità

21 Roma - Via Cardinal De Luca γ (kn/m 3 ) w (%) I P (%) Argilla+ Limo (%) Sabbia (%) I C profondità (m) W P W W L 60 Andamento delle principali caratteristiche fisiche con la profondità