Geotecnica e Laboratorio. Determinazione del coefficiente di permeabilità del terreno in situ (Raccomandazioni i AGI 1977)

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1 Corso di Laurea a ciclo Unico in Ingegneria Edile Architettura Geotecnica e Laboratorio Determinazione del coefficiente di permeabilità del terreno in situ (Raccomandazioni i AGI 1977) e mail: Prof. Ing. Marco Favaretti marco.favaretti@unipd.it website: bi 1

2 Generalità La determinazione del coefficiente di permeabilità k attraverso prove in situ presenta difficoltà ed incertezze. Condizioni particolarmente vantaggiose per la corretta determinazione del coefficiente k sono le seguenti: (1) terreni omogenei ed isotropi, (2) condizioni i i al contorno perfettamente t note. In realtà i valori sperimentali sono generalmente influenzati da errori che possono causare sotto/sovra-stimestime di un intero ordine di grandezza. La scelta del metodo di prova deve essere effettuata in funzione del tipo di terreno e del grado di precisione desiderato. 2

3 Generalità L'attendibilità delle prove può essere migliorata ponendo attenzione a: 1. conoscenza della distribuzione delle u nel terreno prima della prova; 2. conoscenza del profilo stratigrafico; 3. Condurre la prova di condizioni di moto laminare in regime permanente, secondo schemi di flusso aderenti ai modelli teorici; 4. In tutte le prove che comportano immissione di acqua nel terreno utilizzare acqua limpida. La determinazione in situ del coefficiente k è realizzabile con metodi semplici solo per terreni con coefficiente k > 10-6 m/s. Per k < 10-6 m/s è necessario ricorrere a prove complesse eseguite da personale specializzato. 3

4 Prove in Pozzetto Superficiale Adatte soprattutto per terreni granulari, forniscono una valutazione della permeabilità dei terreni superficiali al di sopra del livello della falda idrica. Si eseguono in pozzetti cilindrici o a base quadrata con pareti verticali o inclinate. Le prove sono effettuate riempiendo d'acqua il pozzetto: (1) misurando la portata necessaria per mantenere costante il livello (prove a carico costante) oppure (2) misurando la velocità di abbassamento del livello in funzione del tempo (prove a carico variabile). 4

5 Prove in Pozzetto Superficiale Il terreno deve essere saturato - Il regime di flusso deve essere stazionario. La profondità o del pozzetto deve e essere e pari a 1/7 dell altezza a del fondo rispetto al livello di falda; il diametro (o il lato di base) del pozzetto deve essere pari ad almeno volte il diametro max dei granuli del terreno. 5

6 Prove in Pozzetto Superficiale Circolare Il coefficiente k (espresso in m/s) viene espresso con le seguenti formule empiriche valide per terreni omogenei, isotropi e con k Prova a carico costante POZZETTO CIRCOLARE 10-6 m/s: Prova a carico variabile k q dh m 1 k d 32 h t h t 1 h m 6

7 Prove in Pozzetto Superficiale Quadrato Il coefficiente k (espresso in m/s) viene ottenuto con le seguenti relazioni: POZZETTO QUADRATO Prova a carico costante Prova a carico variabile k q b h b 3 k h 2 h 1 1 (2 h / b) m t t (27h / b) m 7

8 Prove in Pozzetto Superficiale Simboli utilizzati: q (m 3 /s): portata assorbita a livello costante h m (m): d (m): b (m): altezza media dell acqua nel pozzetto (h m >d/4) diametro del pozzetto cilindrico lato di base del pozzetto di forma quadrata t 2-t 1 (s): intervallo di tempo h 2 -h 1 (m): variazione di livello dell acqua nell intervallo di tempo t 8

9 Prove in fori di sondaggio - Immissione Prove di immissione permettono di determinare il coefficiente k al fondo di fori di sondaggio (sopra o sotto il livello di falda), possono essere eseguite durante la trivellazione del foro, a diverse profondità, oppure alla fine della trivellazione sul solo tratto terminale. Possono eseguirsi prove a carico costante o a carico variabile. Le pareti della perforazione devono essere rivestite con tubazione nel tratto non direttamente interessato dalla prova stessa (Figg. a e b). Nel caso di terreni che tendono a franare o a rifluire nel foro la prova può essere eseguita secondo lo schema (c). Il tratto di prova è riempito con materiale filtrante di granulometria adatta ed isolato mediante un tampone impermeabile. Prima di eseguire la prova deve effettuarsi una accurata pulitura del foro. 9

10 Prove in fori di sondaggio - Immissione c) 10

11 Prove in fori di sondaggio - Immissione Le prove a carico variabile al di sotto del livello della falda possono essere eseguite: * abbassando il livello dell'acqua nel foro di un'altezza nota e misurando la velocità di risalita del livello (prove di risalita); * riempiendo il foro d'acqua per un'altezza nota e misurando la velocità di abbassamento del livello (prova di abbassamento). Le prove a carico costante si eseguono misurando la portata necessaria per mantenere costante il livello dell'acqua nel foro. La misura deve essere eseguita in condizioni di regime. La prova di abbassamento e la prova a carico costante possono essere eseguite anche nel terreno al di sopra del livello della falda. In tal caso però il terreno deve essere preventivamente saturato. 11

12 Prove in fori di sondaggio - Immissione prove a carico variabile coefficiente di permeabilità k (in m/s): k C L A t ln h 1 2 t1 h2 A(m 2 ): area di base del foro di sondaggio h 2,h 1 (metri): altezza dei livelli d acqua nel foro rispetto al livello della falda indisturbata o al fondo del foro stesso agli istanti t 2 et 1 t 2,t 1 (secondi): tempi in corrispondenza dei quali vengono misurati le altezze h 2 e h 1 C L (m): coefficiente di forma dipendente dall area del foro di sondaggio e dalla lunghezza del tratto di foro scoperto 12

13 Prove in fori di sondaggio - Immissione coefficiente C L prova su un tratto di foro di lunghezza l: l>>d C L =l l d C L =2d+l 13

14 Prove in fori di sondaggio - Immissione prove a carico costante coefficiente di permeabilità k (in m/s): k C F q h d q(m 3 /s): portata immessa h (m): livello dell acqua nel foro (per prove sopra il livello della falda h è misurato rispetto alla base del foro) d (m): diametro del pozzetto cilindrico C F (m): coefficiente i di forma =

15 Prove in fori di sondaggio - Immissione Nei terreni con abbondante frazione fine, durante prove di abbassamento o prove a carico costante, al fondo del foro si forma un deposito di materiale a grana fine che diminuisce il valore di k. Nel caso di prove di risalita l acqua che penetra nel foro asporta i granuli più fini provocando un aumento di k del terreno circostante. Un valore più attendibile di k è fornito dalla media geometrica dei valori determinati con prove di risalita (k r ) e con prove di abbassamento (k a ). k k a k r 15

16 Prove in fori di sondaggio - Immissione Nelle prove di abbassamento l altezza iniziale della colonna d acqua nel foro non deve superare alcuni decimetri con permeabilità prossima a 10-6 m/s e qualche metro per terreni molto permeabili. Un controllo della corretta esecuzione delle prove può essere ottenuto riportando in un grafico la velocità di abbassamento o di risalita (h 2 -h 1 )/(t 2 -t 1 ) in funzione del livello medio (h 2 -h 1 )/2 per i vari intervalli di tempo misurati: nel caso di prova bene eseguita tale grafico deve essere praticamente rettilineo. Le determinazioni presentano in ogni caso incertezze ed i valori ricavati devono essere accettati con cautela. 16

17 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Eseguite in fori di sondaggio ( mm) da cui si emunge una q costante con pompe sommerse. Durante la prova si misurano il livelloll dell'acqua nel foro e i livelli della falda nella zona circostante il foro. Prova eseguibile su terreni al di sotto del livello della falda e, nel caso di terreni uniformi, omogenei, isotropi, dà risultano significativi ed attendibili. La trivellazione del foro deve essere eseguita in modo tale da non modificare la permeabilità naturale del terreno. E sconsigliato l'uso di fanghi bentonitici. 17

18 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Nel pozzo viene calato un tubo metallico di rivestimento. Questo deve essere sfinestrato (area totale delle aperture non minore del 10% della superficie laterale del tubo) e protetto con rete reps nel tratto in cui si esegue la prova. Nel tratto in prova l intercapedine frailtuboelasuperficie del foro deve essere riempita con sabbia e ghiaia con granulometria adeguata a quella del terreno. Per evitare l'infiltrazione di acque esterne l'intercapedine fra tubo e pareti del foro, nel tratto sovrastante a quello in prova deve essere riempito con argilla o altro materiale impermeabilizzante. 18

19 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Nel corso della prova si misurano: la portata emunta con contatori, venturimetri, stramazzi o recipienti tarati. il livello dell'acqua all'interno del foro con scandagli elettrici; per evitare fenomeni di turbolenza lo scandaglio deve essere calato in un tubo di qualche centimetro di diametro installato entro il foro; la quota di vari punti della superficie piezometrica intorno al foro in emungimento; intorno al foro, vengono disposti piezometri secondo almeno due allineamenti passanti per il foro; uno degli allineamenti deve essere parallelo alla direzione del moto della falda. Il numero dei piezometri i installati ti dipended dalla eterogeneità del sottosuolo; almeno tre piezometri intorno al foro. 19

20 Prove in fori di sondaggio - Emungimento La distanza dei piezometri dal foro è fissata con legge di tipo esponenziale disponendo il primo piezometro a qualche metro dal foro e l'ultimo ad una distanza pari all'incirca a quella oltre la quale non è più praticamente sensibile l'effetto del pompaggio sulla falda ( m). I piezometri devono raggiungere una profondità uguale a quella del pozzo. La scelta del piezometro dipende dalla natura dei terreni. In terreni con k elevato possono essere adatti anche i piezometri a tubo aperto. La prova deve essere eseguita in condizioni stazionarie. Il tempo necessario per la stabilizzazione del livello di falda è di diverse ore anche per terreni molto permeabili. La durata delle prove è perciò sempre di alcuni giorni. 20

21 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Coefficiente di permeabilità (m/s) n.1 piezometro 21

22 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Coefficiente di permeabilità (m/s) n.1 piezometro falda a pelo libero (pozzo falda in pressione, (pozzo che che raggiunge la base del attraversa completamente il terreno acquifero) terreno acquifero): k qln (z 2 x r h 2 ) k x qln r 2e z h 22

23 Prove in fori di sondaggio - Emungimento SIMBOLI k (m/s) = coefficiente di permeabilità q(m 3 /s) = portata emunta a regime e (m) = spessore dello strato acquifero in pressione H (m) = quota del livello di falda indisturbato h (m) = quota del livello dell'acqua nel pozzo R (m) = raggio di influenza del pozzo r (m) = raggio del pozzo x (m) = distanza del piezometro dal foro z (m) = livello dell'acqua nel piezometro 23

24 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Coefficiente di permeabilità (m/s) n.2 o più piezometri x 1,x 2 (m): distanza dal foro dei piezometri z 1,z 2 (m): livello dell'acqua nei piezometri 24

25 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Coefficiente di permeabilità (m/s) n.2 o più piezometri falda a pelo libero (pozzo che raggiunge la base del terreno acquifero) falda in pressione, (pozzo che attraversa completamente il terreno acquifero): k qln (z 2 1 x1 x 2 z 2 2 ) k x q ln 1 x 2 2e z z

26 Prove in fori di sondaggio - Emungimento Coefficiente e di permeabilità eab (m/s) Valori approssimati di k medio del terreno intorno al foro si ottengono con prove eseguite senza piezometri di controllo, misurando l'abbassamento del livello del pozzoo e la quota della falda indisturbata. falda a pelo libero (pozzo che raggiunge la base del terreno acquifero) falda in pressione, (pozzo che attraversa completamente il terreno acquifero): k qln (H 2 R r h 2 ) ln (R/r) = 2-7 k R qln r 2e H h 26