Prove su campioni indisturbati (edometro, compressione triassiale, taglio, etc.)

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1 Finalità Profilo stratigrafico pozzi trincee cunicoli sondaggi diretti Mezzi d'indagine indiretti indagini geofisiche prove penetrometriche statiche CPT Proprietà fisiche e meccaniche in laboratorio Prove su campioni indisturbati (edometro, compressione triassiale, taglio, etc.) in sito prove penetrometriche statiche CPT prove penetrometriche dinamiche SPT prove scissometriche prove dilatometriche DMT prove di carico su piastra prove geofisiche (CH, DH, SASW) Proprietà idrauliche in laboratorio prove di permeabilità su campioni indisturbati (permeametri, edometri, etc.) in sito prove di permeabilità in fori di sondaggio, in pozzi ed in pozzetti Regime idraulico in laboratorio in sito installazione e misura edometri Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

2 SCISSOMETRO ( VANE TEST ) Lo scissometro viene adoperato per la determinazione della coesione non drenata di terreni a grana fine di consistenza ridotta o media.

3 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 SCISSOMETRO ( VANE TEST ) (c u < 100 kpa) Profondità massima raggiungibile 30 m

4 ATTREZZATURA Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

5 Scissometro o Vane Test M t D h 2 2 D 6

6 Scissometro o Vane Test La resistenza non drenata rimaneggiata si ottiene facendo ruotare il vane per 10 giri rapidi e aspettando 5 min prima di rieseguire la prova misurando M t s u Sensitività del terreno: s u Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

7 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 SCISSOMETRO ( VANE TEST ) Siccome la resistenza non drenata c u è influenzata da molti fattori, per avere risultati affidabili è importante usare una procedura standard L EC7_3 impone: rapporto H/D = 2; velocità di rotazione 6 12 gradi/min (influenza su c u fino al 20%) ; spessore alette t limitato (0.8 mm t 3 mm); 2 5 minuti di attesa prima della prova (influenza su c u fino al 50%); per avere informazioni sulla sensitività S ripetere la misura dopo almeno 10 rapide rivoluzioni).

8 Il valore della coesione non drenata è marcatamente influenzato dal tipo di prova con cui viene determinato. Bjerrum (1973) suggerì di moltiplicare i valori di c u dedotti dalla prova scissometrica per un coefficiente empirico l. l è una funzione decrescente di Ip e ingloba l influenza dell anisotropia iniziale e della velocità di deformazione. Ip=w L -w P

9 Scissometro o Vane Test Il valore della c u viene ricavato con un equilibrio a rottura in condizioni ND. Quesito: Posso applicare la stessa procedura ad un terreno a grana grossa, ovvero ad un terreno argilloso in condizioni drenate, per ricavare anche in questo caso i parametri di resistenza (in particolare f )? Per terreni argillosi, in condizioni ND = c u s? Per terreni sabbiosi, ovvero argille in condizioni drenate = s tanf s? s? Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

10 Scissometro o Vane Test MM t Scissometri di forma non standard M t

11 Misure di pressione neutra La misura della pressione neutra in sito consente la conoscenza del regime delle acque sotterranee ed il controllo delle modifiche introdotte dall opera. Ad esempio: la previsione dei processi di consolidazione; la valutazione delle portate affluenti ad uno scavo sotto falda; l efficienza di un sistema di drenaggio. Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

12 Misura della pressione neutra nei terreni saturi. Piezometri Le pressioni neutre nel sottosuolo, costituito da terreno o roccia, possono essere misurate in modo: - diretto, con trasduttori elettrici, - indiretto, rilevando la profondità del livello d acqua all interno di un tubo o di un foro, rispetto al piano campagna e quindi ricavando il battente d acqua sulla presa (altezza piezometrica) e da esso la pressione dell acqua nella presa, assunta pari alla pressione neutra nel terreno circostante. In entrambi i casi le attrezzature, che possono presentare schemi di funzionamento semplici o piuttosto sofisticati, prendono il nome di piezometri. Si fa sempre l ipotesi che installazione e la presenza del piezometro non alteri il regime delle pressioni neutre centralina profondità livello acqua cavo elettrico altezza piezometrica trasduttore tubo Scelto opportunamente il tipo di piezometro, in relazione al terreno ed al problema in esame, la misura della pressione neutra può ritenersi sufficientemente accurata per la valutazione delle tensioni efficaci nel sottosuolo e quindi della resistenza dei terreni e della stabilità del pendio.

13 tratto di misura Elementi principali dei tubi piezometrici ed installazione Il piezometro consiste di un tubo di pvc disposto all interno di un foro di perforazione, sfinestrato o comunque dotato di una presa nel tratto destinato a consentire l ingresso di acqua (tratto di misura). Lungo l intero tratto di misura il tubo è in comunicazione idraulica col terreno circostante attraverso un filtro di materiale drenante (sabbia o ghiaia) in cui esso è collocato. Il tratto drenante deve essere isolato superiormente da un tampone impermeabile, in modo che la comunicazione idraulica fra piezometro e falda avvenga unicamente lungo il tratto di misura. I tamponi impermeabili possono essere realizzati con bentonite, argilla o altro materiale idoneo e devono essere di altezza sufficiente ad evitare l infiltrazione di acque superficiali dal piano campagna o lungo la pareti del foro. All atto dell installazione del piezometro è consigliabile provvedere alla stabilizzazione delle pareti mediante una tubazione di rivestimento provvisoria che verrà estratta man mano che si inserisce nel foro (intorno al piezometro) materiale drenante. Affinché il piezometro risulti efficiente, la sua posa in opera deve essere preceduta da un accurato lavaggio del foro. tampone impermeabile riempimento tampone impermeabile filtro

14 Funzionamento e misure (1) Una volta eseguita l installazione, intorno al piezometro si innesca un fenomeno idrodinamico con flusso di acqua verso il terreno o verso il piezometro a secondo che il tubo sia stato o meno riempito con acqua dall installatore. Il fenomeno prosegue fino a quando il livello di acqua nel tubo raggiunge l equilibrio idraulico con la falda circostante (annullamento del gradiente piezometrico). In effetti poiché le pressioni neutre nel terreno variano in funzione delle condizioni idrauliche al contorno il piezometro potrebbe trovarsi sempre o quasi sempre in fase transitoria. Ciò premesso la misura della pressione neutra non è immediata in quanto è legata al moto dell acqua che deve affluire alla cella piezometrica, attraverso il filtro poroso. Il tempo di risposta, cioè il tempo necessario perché il piezometro raggiunga la condizione di equilibrio idraulico, dipende dalla permeabilità del terreno e dal tipo di piezometro, precisamente: cresce al diminuire della permeabilità, diminuisce, se si riduce la quantità di acqua da immagazzinare all interno della cavità piezometrica.

15 Funzionamento e misure (2) Le letture consistono nella misura della profondità del livello dell acqua nel tubo rispetto al piano campagna; essa viene eseguita con una sonda elettrica di tipo acustico (freatimetro). Il freatimetro è un attrezzatura costituita da un cavo che contiene un circuito elettrico aperto, che si chiude all atto della sua immersione in acqua (per effetto delle proprietà dielettriche dell acqua). Il suono emesso alla chiusura del suddetto circuito segnala all operatore la presenza dell acqua. Piezometri a tubo aperto Piezometri Casagrande Piezometri idraulici a circuito chiuso Tipi di tubi piezometrici

16 Piezometro a tubo aperto Il piezometro a tubo aperto consiste di un tubo di p.v.c., o di metallo di diametro sufficiente per consentire il passaggio della sonda acustica per la misura della profondità del livello dell acqua. Il tubo ha diametro generalmente compreso tra 0.5 e 2, in funzione della permeabilità del terreno. Quando la permeabilità è bassa si sceglie il diametro minore fra quelli indicati. L intercapedine tra perforazione e tubo, nel tratto sfinestrato, deve essere riempita con sabbia. chiusino tappo di bentonite materiale di riempimento (qualsiasi) Il filtro può essere disposto a tutta altezza, nel caso si abbiano ragionevoli motivi per ritenere che la falda si trovi in condizioni idrostatiche, o essere localizzato nel punto di interesse se la falda è in condizioni idrodinamiche. Si utilizza per la misura della pressione neutra in terreni uniformi permeabili (K > 10-5 cm/s). tratto perforato tappo di bentonite riempimento intercapedine con sabbia > 1 m 30 cm 60 cm 12 m 60 cm a) presa a tutta altezza b) presa localizzata

17 Piezometri di Casagrande La presa è costituita da un cilindro poroso (con punta chiusa che impedisce l ingresso di particelle solide durante l installazione), collegato con dei tubi di p.v.c. al piano campagna. A Cella Casagrande (cilindro poroso) B Tubi sfinestrati di un piezometro a tubo aperto Si utilizzano due tubi per consentire il lavaggio del cilindro poroso che, durante il funzionamento, può essere parzialmente occluso dalle particelle fini trasportate dall acqua. Il Piezometro Casagrande è utilizzato per la misura della pressione neutra in terreni poco permeabili (K>10-8 cm/s). Attacco tubi - cella C Bentonite in palline Legenda: A: elemento filtrante (cella di Casagrande) con pori di diametro di 20 micron, B: punta conica in resina, C: raccordo in resina, con due fori filettati da mezzo pollice per l inserimento dei tubi piezometrici.

18 Installazione del piezometro Casagrande chiusino tubo in plastica rigido, di diametro interno 11.5 cm e giunti sigillati rivestimento metallico fino a fondo foro Installazione della cella e sollevamento del rivestimento tappo di bentonite in palline: 5 strati di 8 cm materiale di riempimento (qualsiasi) tappo di bentonite in palline: 5 strati di 8 cm sabbia a granulometria controllata versata nel foro pieno di acqua cella di Casagrande, diametro 35 cm 40 cm strato di ghiaia 120 cm 60 cm 60 cm In alcuni casi può essere opportuno installare più piezometri in un unico foro per ridurre il numero delle perforazioni. Il foro potrà essere effettuato con sistema a rotazione e diametro di 165 mm. Per un buon isolamento idraulico delle celle è opportuno riempire l intercapedine fra tubi e perforazione con una miscela di cemento e bentonite (160 Kg di cemento Portland tipo 30, 200 l di acqua, 5 Kg di bentonite).

19 Misure di pressione neutra Piezometro a tubo aperto Piezometro tipo Casagrande Sonda elettrica per la misura della profondità della falda

20 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Misure di pressione neutra Cella Casagrande con tubicini di misura

21 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Misure di pressione neutra Giunzione tubi di misura Formazione del tappo di bentonite

22 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Prontezza di un piezometro La prontezza di un piezometro viene definita come il tempo necessario affinché la pressione nel piezometro uguagli quella esterna Essa dipende dalla permeabilità (k) e compressibilità del terreno (trascurata) e dalle caratteristiche geometriche del piezometro (F). IPOTESI le dimensioni del piezometro sono tali da poter considerare uniforme il campo di pressioni neutre nel terreno circostante terreno incompressibile: teoria dei moti di filtrazione a divergenza nulla

23 Prontezza di un piezometro Di norma ad un istante generico t risulta u* u La differenza di pressione neutra equivale, a parità di quota Si definisce prontezza di un piezometro il tempo (ritardo) geometrica z, ad una variazione di quota piezometrica h occorrente perché u*=u. U* = pressione neutra all interno della cavità piezometrica all istante t; U = pressione neutra al contorno Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

24 Prontezza di un piezometro A t=0 l acqua nel piezometro è ad una profondità z 0 più bassa di quella del pelo libero della falda. Flusso verso l interno del piezometro: al tempo t il livello di acqua si innalza di h q = portata affluente nel piezometro, con q = F k h. F [L]= coefficiente di ingresso, funzione di forma e dimensione del filtro. Se ipotizziamo nulle le perdite di carico (flusso lento), Imponendo la continuità tra flusso entrante e volume immagazzinato nella cavità piezometrica, si ha q dt = A dh = -A dz Sostituendo l espressione di q possiamo scrivere: dz z Se la pressione da misurare è costante nel tempo (z 0 = cost.) e poiché per t = 0 si ha z = z 0, integrando fra 0 e t: z z 0 Fk A exp Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 dt Fk A t

25 Prontezza di un piezometro definendo un rapporto di equalizzazione si ha: u * u u u * 0 * 0 w ( z0 z w 0 z) 1 z z 0 1 exp Fk A t Per t=0 risulta =0, mentre tende ad 1 al crescere di t, ovvero u tende ad u* con legge esponenziale negativa teoricamente il tempo necessario ad ottenere u*=u è infinito nella prassi il tempo di risposta di un piezometro è il tempo t 95 necessario ad avere un grado di equalizzazione pari al 95% Ponendo =0.95 e risolvendo rispetto a t, si ha t A ln0.05 Fk 95 3A Fk

26 Prontezza di un piezometro Nel caso di celle piezometriche la prontezza è legata ad un diverso parametro, la deformabilità volumetrica V* definito come rapporto tra la variazione di volume della cella e la variazione di pressione neutra. In un tubo piezometrico ad una variazione di pressione neutra D u* corrisponde un innalzamento del livello d acqua pari a: cm 5 N E quindi una variazione di volume: Du* w Du* A w Perciò V A * e dunque V * A w w Si può quindi definire il tempo di risposta come: t 95 3V * w Fk

27 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Prontezza di un piezometro *

28 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Misure di pressione neutra Piezometri a tubo aperto (adatti a piccole installazioni) - semplici ed economici; - sicuri ed affidabili; - prontezza limitata, elevato costo di esercizio (impossibile automatizzare le letture). Celle piezometriche (adatti a misure frequenti) - prontezza elevata; - campo di misura delle pressioni elevato; - automatizzazione delle misure agevole; - costo elevato.

29 Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8 Piezometri idraulici a circuito chiuso I piezometri idraulici a circuito chiuso consentono la misura delle pressioni interstiziali anche in situazioni di accesso impedito della testa del piezometro o quando la pressione neutra da misurare corrisponde ad un livello d acqua che superebbe la superficie del terreno. Sono simili ai piezometri a tubo aperto, ma la cella, contenente un filtro poroso a bassissima permeabilità, è collegata ad una coppia di tubi flessibili di piccolo diametro che termina con un manometro a mercurio, a indice o a colonna, o con un sensore di pressione elettrico. La pressione neutra viene misurata al manometro, posto in testa al piezometro, da essa si ricava la pressione alla profondità della presa (sommando una pressione espressa in colonna d acqua pari alla distanza fra presa e manometro). I piezometri idraulici a circuito chiuso sono oggi raramente usati a causa della loro difficoltà di installazione e degli elevati costi di automazione. Va garantita la saturazione del circuito!! piezometro manometro

30 Celle piezometriche Rinunziando alla comunicazione idraulica tra la cavità piezometrica e l esterno, sono stati sviluppati piezometri che misurano la pressione direttamente all interno della cavità tramite un trasduttore di pressione, a vantaggio della prontezza. Infatti in tale circostanza non essendovi la necessità che l acqua risalga all interno del tubo piezometrico il volume di acqua invasato è molto ridotto. Esistono vari tipi di celle piezometriche che si differenziano essenzialmente a seconda del trasduttore utilizzato: pneumatici, a corda vibrante, elettrici (a strain gauges). piezometro pneumatico piezometro a corda vibrante piezometro elettrico

31 Piezometri pneumatici Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8

32 15-20 cm traduttore Piezometri a corda vibrante ed elettrici cavità I piezometri a corda vibrante e quelli elettrici consistono in un involucro stagno contenente un trasduttore, collegato con un cavo alla centralina di acquisizione, posizionata in superficie. Pertanto non è necessario che la testa del piezometro sia direttamente accessibile. Il trasduttore di pressione è alloggiato in una capsula metallica sigillata (carcassa) divisa in due parti da un diaframma sensibile alla pressione dell acqua, con cui è a contatto; da un lato del diaframma c è una piccola cavità in cui penetra acqua attraverso una piastra porosa, dall altro lato c è il trasduttore. Il diaframma si deforma; l inflessione è proporzionale alla pressione dell acqua, per cui una volta misurata la freccia si ottiene, tramite opportuna taratura, il valore della pressione. Nel piezometro elettrico viene utilizzata una griglia di fili elettrici la cui resistenza elettrica varia in funzione della deformazione meccanica alla quale sono sottoposti. Quando la pressione varia, con essa varia la resistenza del parallelo. La variazione di resistenza viene trasformata in un segnale elettrico agevolmente misurabile. Nei piezometri a corda vibrante l inflessione del diaframma provoca una variazione della tensione di una corda d acciaio, tesa tra il diaframma stesso e la carcassa dello strumento; misurando la frequenza di oscillazione della corda si risale, tramite una apposita taratura, alla pressione dell acqua.

33 Piezometri elettrici B) Strain Gauge Schema di funzionamento Schema di installazione Esempio di strumento

34 Piezometri elettrici A) Corda vibrante Schema di funzionamento Schema di installazione Esempio di strumento

35 Piezometri autoperforanti Indagini e Monitoraggio Geotecnico Lezione 8