i l volu l m e si s g i ni n f i i f c i ativ i o1 volu l m e si s g i ni n f i i f c i ativ i o

Transcript

1 1 Indagini geotecniche Materiale di riferimento: NTC2008, AGI1977, testi di Geotecnica NTC2008, capitolo 6: PROGETTAZIONE GEOTECNICA OGGETTO DELLE NORME Il presente capitolo riguarda il progetto e la realizzazione: - delle opere di fondazione; - delle opere di sostegno; - delle opere in sotterraneo; - delle opere e manufatti di materiali sciolti naturali; - dei fronti di scavo; - del miglioramento e rinforzo dei terreni e degli ammassi rocciosi; - del consolidamento dei terreni interessanti opere esistenti, nonché la valutazione della sicurezza dei pendii e la fattibilità di opere che hanno riflessi su grandi aree PRESCRIZIONI GENERALI Le scelte progettuali devono tener conto delle prestazioni attese delle opere, dei caratteri geologici del sito e delle condizioni ambientali. I risultati dello studio rivolto alla caratterizzazione e modellazione geologica, di cui al devono essere esposti in una specifica relazione geologica. Le analisi di progetto devono essere basate su modelli geotecnici dedotti da specifiche indagini e prove che il progettista deve definire in base alle scelte tipologiche dell opera o dell intervento e alle previste modalità esecutive. Le scelte progettuali, il programma e i risultati delle indagini, la caratterizzazione e la modellazione geotecnica, di cui al 6.2.2, unitamente ai calcoli per il dimensionamento geotecnico delle opere e alla descrizione delle fasi e modalità costruttive, devono essere illustrati in una specifica relazione geotecnica.

2 2 Indagini geotecniche NTC2008, capitolo 6: PROGETTAZIONE GEOTECNICA 6.2 ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO Il progetto delle opere e dei sistemi geotecnici deve articolarsi nelle seguenti fasi: 1 caratterizzazione e modellazione geologica del sito; 2 scelta del tipo di opera o d intervento e programmazione delle indagini geotecniche; 3 caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle rocce e definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo; 4 descrizione delle fasi e delle modalità costruttive; 5 verifiche della sicurezza e delle prestazioni; 6 piani di controllo e monitoraggio CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOLOGICA DEL SITO La caratterizzazione e la modellazione geologica del sito consiste nella ricostruzione dei caratteri litologici, stratigrafici, strutturali, idrogeologici, geomorfologici e, più in generale, di pericolosità geologica del territorio. In funzione del tipo di opera o di intervento e della complessità del contesto geologico, specifiche indagini saranno finalizzate alla documentata ricostruzione del modello geologico. Esso deve essere sviluppato in modo da costituire utile elemento di riferimento per il progettista per inquadrare i problemi geotecnici e per definire il programma delle indagini geotecniche. Metodi e risultati delle indagini devono essere esaurientemente esposti e commentati in una relazione geologica.

3 3 Indagini geotecniche NTC2008, capitolo 6: PROGETTAZIONE GEOTECNICA INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOTECNICA Le indagini geotecniche devono essere programmate in funzione del tipo di opera e/o di intervento e devono riguardare il volume significativo 1 di cui al 3.2.2, e devono permettere la definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo necessari alla progettazione. I valori caratteristici delle grandezze fisiche e meccaniche da attribuire ai terreni devono essere ottenuti mediante specifiche prove di laboratorio su campioni indisturbati di terreno e attraverso l interpretazione dei risultati di prove e misure in sito. Per valore caratteristico di un parametro geotecnico deve intendersi una stima ragionata e cautelativa del valore del parametro nello stato limite considerato. Per modello geotecnico si intende uno schema rappresentativo delle condizioni stratigrafiche, del regime delle pressioni interstiziali e della caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle rocce comprese nel volume significativo, finalizzato all analisi quantitativa di uno specifico problema geotecnico. È responsabilità del progettista la definizione del piano delle indagini, la caratterizzazione e la modellazione geotecnica. Le indagini e le prove devono essere eseguite e certificate dai laboratori di cui all art.59 del DPR , n.380. I laboratori su indicati fanno parte dell elenco depositato presso il Servizio Tecnico Centrale del Ministero delle Infrastrutture. Nel caso di costruzioni o di interventi di modesta rilevanza, che ricadano in zone ben conosciute dal punto di vista geotecnico, la progettazione può essere basata sull esperienza e sulle conoscenze disponibili, ferma restando la piena responsabilità del progettista su ipotesi e scelte progettuali. 1 Per volume significativo di terreno si intende la parte di sottosuolo influenzata, direttamente o indirettamente, dalla costruzione del manufatto e che influenza il manufatto stesso.

4 4 Volume significativo

5 5 Tipologia delle indagini geotecniche Sintetizzando dalle Raccomandazioni AGI (1977): Finalità Mezzi di indagine Profilo stratigrafico Diretti Indiretti Scavi accessibili (pozzi, trincee, cunicoli) Fori di sondaggio Prove geofisiche Prove penetrometriche statiche Tipo prova Scissometriche Grandezze misurate σ h0 σ:ε τ:σ F Proprietà fisico-meccaniche Penetrometriche statiche Penetrometriche dinamiche G Pressiometriche Dilatometriche Misura pressione interstiziale Permeabilità Verifica impiego analisi e tecnologie Geofisiche Piezometri idraulici Celle piezometriche Prove di emungimento Prove di immissione Prove di carico su piastre e pali Misure di pressioni interstiziali e permeabilità (efficacia di drenaggi e impermeabilizzazioni) Misure di proprietà meccaniche (efficacia di trattamento di miglioramento e rinforzo) Legenda: σ ho = tensioni orizzontali σ:ε = legame tensio-deformativo τ:σ = resistenza al taglio = impiego ottimale = limitazioni esecutive = interpretazione empirica F = solo terreni a grana fine G = solo terreni a grana grossa

6 6 Sondaggi

7 7 Cassetta catalogatrice

8 8 Classi di qualità dei campioni

9 9 Campionatore a parete sottile (Shelby)

10 10 Campionatori a pistone e campionatori doppi

11 11 Rilevamento delle pressioni interstiziali Piezometri a tubo aperto

12 12 Rilevamento delle pressioni interstiziali Piezometri Casagrande

13 13 Rilevamento delle pressioni interstiziali Altri Piezometri (trasduttori): elettrici, pneumatici

14 14 Rilevamento delle pressioni interstiziali Tempo di risposta dei piezometri

15 15 Interpretazione delle prove in laboratorio Provino di laboratorio Condizioni al contorno controllate dallo sperimentatore Tensioni e deformazioni ( parametri) imposte o misurabili σ a σ v ε a ε v ε r =0 σ r ε v / u Prova edometrica Prova triassiale

16 16 Problema dell interpretazione delle prove in sito Prova meccanica in sito Condizioni al contorno non controllate dallo sperimentatore Tensioni e deformazioni ( parametri) =? Occorre quindi: assumere la conoscenza dello stato tensionale in sito (tensioni geostatiche) tenere conto (minimizzare) il disturbo prodotto dallo strumento se possibile, introdurre un modello per l analisi dei risultati oppure, tenere conto delle correlazioni/confronti (prove di calibrazione in lab)

17 17 Prova penetrometrica statica o Cone Penetration Test (CPT) Attrezzatura Punta conica (tip)) standardizzata con eventuale manicotto scorrevole (Friction Jacket) all estremità di una batteria d aste Attrezzatura di spinta: martinetto meccanico o idraulico Misura della resistenza all avanzamento mediante cella di carico Limitazioni esecutive Necessario riperforo quando la spinta è insufficiente (p,es, in terreni sabbio/ghiaiosi addensati/cementati)

18 18 Prova penetrometrica statica: installazione Infissione continua (autoperforante) dal piano campagna, sfruttando ancoraggi a vite o il contrasto con il mezzo di trasporto Spinta max kn (10-20 t) Velocità avanzamento = 2 cm/s

19 19 La punta del penetrometro meccanico Punta semplice (olandese) Punta con manicotto (Begemann) Angolo apertura punta = 60 Dimensioni punta: diametro d 35 mm sezione = 10 cm 2 Dimensioni manicotto: l=135 mm area = 150 cm 2

20 20 CPT meccanico: esecuzione Con punta semplice Con manicotto I. posizione iniziale II. penetrazione 10 cm di punta misura R p q c =R p /A p = resistenza alla punta II bis. avanzamento 10 cm punta+manicotto misura R LL f s =R III. avanzamento 10 cm aste misura R L r l =R L /A l = resistenza laterale totale (inutilizzata) (I) =R LL /A (II) (IIbis) (III) /A s = resistenza laterale locale

21 21 CPT elettrico Avanzamento continuo di punta, manicotto, aste misura contemporanea di q c e f s ogni 1 5 cm Trasduttori a strain-gage

22 22 Profili CPT nel sottosuolo della torre di Pisa

23 23 Taratura sondaggio prova CPT: profilo stratigrafico quota (m) slm Riporti sabbia fine limosa Argilla grigia Limo sabbioso Argilla grigia Sabbia limosa Qc (MPa)

24 24 Piezocono CPTU E una variante con un trasduttore per la misura della pressione neutra tra punta e manicotto. Richiede saturazione prima dell uso.

25 25 Esempio di profili CPTU Penetrazione a 2 cm/s Profili di resistenza alla punta, laterale e pressione neutra Sabbia Argilla Crosta o lente sepolta Argilla

26 26 Prova CPT come indicatore stratigrafico Regola generale: Terreni Valori q c, f s Andamenti Sovrapressioni Grana grossa elevati irregolari u 0 Grana fine ridotti regolari u 0 Regola aurea: è sempre bene avere sondaggi di taratura

27 27 Prova CPT come misura di resistenza Modello equilibrio limite del volume di rottura circostante la punta q c N = N q q, N q + N c, N γ c c + N = f ( ϕ), γ γ N B 2 q N q + N c N q γ, c q >> γ B 2 q c Interpretazione per terreni a grana fine (condizioni non drenate, tensioni totali) Carico limite su terreno con ϕ = 0 (N q =1), c = c u q c = σ v0 + N c c u c u = q c σ N σ v0 = tensione totale verticale alla profondità della punta c v0 σ v0 N c = coefficiente compreso tra 10 e 30 (N.B. teoria dei pali N c = 9) determinabile da confronto con prove TX-UU o VT In genere: N c < 15 per terreni n.c. N c > 15 per terreni o.c.

28 28 Prova CPT come misura di resistenza Modello equilibrio limite del volume di rottura circostante la punta B qc = Nqq + Ncc + Nγγ Nqq + Ncc 2 B Nq, Nc, N γ = f ( ϕ), Nq N γ, q >> γ 2 Interpretazione per terreni a grana grossa q (condizioni drenate, tensioni efficaci) Carico limite su terreno con ϕ 0, c = 0 c = N q σ' v0 N q q = σ' c v0 = f ( ϕ' ) ϕ' q c σ v0 = tensione efficace verticale alla profondità della punta σ v0 N q = coefficiente funzione esponenziale di ϕ (NB: teorie molto variabili) determinabile da confronto con prove di laboratorio (se effettuabili!) In genere si sfruttano correlazioni empiriche per terreni comparabili

29 29 Resistenza terreni a grana grossa da prove CPT Correlazione di Durgunoglu & Mitchell (1975) tan ϕ 0.38 log N q Correlazione di Robertson & Campanella (1983) tan ϕ log N q

30 30 Prova CPT come indicatore stratigrafico (2) Regola quantitativa: rapporto FR = q c /f s (friction ratio) = indicatore stratigrafico Per un terreno a grana fine omogeneo: qc σv0 + Nc cu σv0 Nc γz N FR = = = + = + c costante > N f α c α c α kz α s u u (α= coefficiente di adesione, in genere <1) c Per un terreno a grana grossa omogeneo: FR = q f c s Nqσ v0 Nq = = costante β σ tan ϕ β k tan ϕ h0 0 (funzione crescente di ϕ ) Valori tipici di FR: R f 1/FR Terreni FR Torbe, Argille organiche 15 Limi, Argille Limi sabbiosi, Sabbie limose Sabbie, Sabbie con ghiaia 60

31 31 Prova CPT come indicatore stratigrafico (3) 1000 Diagramma di Robertson (1990) argilla sensitiva 2. torba e terreno organico 3. argilla - argilla limosa 4. argilla limosa - limo argilloso 5. limo sabbioso - sabbia limosa 6. sabbia limosa - sabbia 7. sabbia - sabbia ghiaiosa 8. sabbia argillosa* - sabbia densa 9. terreno fine molto consistente* (* molto sovraconsolidato e/o cementato) QT = (qc-σv0)/σ'v OCR=1 N.C OCR >>> 3 1 SENS >> 2 1 0, R f = f s /(q c -σ v0 ) %

32 32 Prova CPT: interpretazione indiretta q c densità relativa angolo d attrito (in terreni a grana grossa) Può essere più attendibile perché tiene conto dell influenza di numerosi fattori sperimentali (in buona parte dipendenti dalla granulometria) sulla resistenza a taglio 1. Determinazione della densità relativa (q c, σ v D r ) 2. Determinazione dell angolo d attrito (D r + granulometria ϕ )

33 33 Prova CPT: interpretazione indiretta Parametri di rigidezza (in terreni a grana grossa) Modello: : non c è (il CPT è una misura di resistenza!) Interpretazione empirica: basata sull osservazione dei legami di proporzionalità (lineare) tra q c e σ e (non lineare) tra un generico modulo (E, E ed ) e σ 1. Modulo di Young, E 2. Modulo di compressione edometrica, E ed 1 ν' Ricordando che: E ed = E' = f ( ν') E' 2 1 ν ' 2 ν ' E = β q c Terreno Sabbia limosa 1.5 Sabbia mediamente densa 2 Sabbia densa 3 Sabbia e ghiaia 5 β E ed = k E E k = = α ed q c α = 2.5 (sabbie fini) 5 (sabbie ghiaiose) NB: si tratta comunque di correlazioni di validità regionale

34 34 Prova penetrometrica dinamica o Standard Penetration Test (SPT) Sonda standardizzata ( campionatore Raymond o punta conica) infissa a percussione dal fondo di un foro di sondaggio tra una manovra e l altra (ogni 2-5 m) Attrezzatura Energia di impatto standard (massa m = 63.5 kg; altezza caduta h = 76 cm) mediante caduta di massa battente sulla testa delle colonne delle aste Altre versioni (diffidare delle imitazioni non standard!): DPSH (Dynamic Penetration Super-Heavy): punta conica, avanzamento continuo SCPT (Standard Cone Penetration Test): punta conica, avanzamento continuo DLPT (Dynamic Lightweight Penetration Test): punta conica, energia impatto 1/6

35 35 Tecnica di esecuzione della prova penetrometrica dinamica (S.P.T.) Infissione da fondo foro, con ritmo da 10 a 25 colpi/min W=63.5 kg H=76 cm 1. Aggancio e sollevamento del maglio 2. Sgancio e caduta del maglio sulla cuffia

36 36 La sonda della prova penetrometrica dinamica Campionatore Raymond Punta conica (per ghiaie grosse) diametro interno d = 35 mm L = 355 mm diametro d = 51 mm angolo = 60

37 37 Prova penetrometrica dinamica: esecuzione i+1. penetrazione 15 cm (superamento disturbo fondo foro) conteggio N 1 (inutilizzato) i+2. penetrazione 15 cm conteggio N 2 i+3. penetrazione 15 cm conteggio N 3 numero di colpi N SPT = N 2 + N 3 (< 100, altrimenti rifiuto ) Limitazioni esecutive Poco attendibile per terreni ghiaiosi per interferenze tra campionatore Raymond e particelle grossolane ( uso punta conica)

38 38 Esempi di profili SPT.c. (m) Profondità dal p Numero di colpi N SPT Dt-al Dt Gn-al terreno omogeneo 15 sottosuolo eterogeneo

39 39 Prova SPT come misura di resistenza Modello equilibrio dinamico del sistema aste + sonda + terreno Interpretazione per terreni a grana grossa (de Mello, 1971) Energia impatto = lavoro per vincere l attrito + lavoro di deformazione elastica del sistema mgh = 2πdL τ i e( z) = f ( σ, ϕ ) ϕ = f ( N SPT, σ ) N SPT + τ = tensione tangenziale a rottura alla profondità di prova (= σ h0 tan ϕ σ v0 tan ϕ ) i = infissione (30 cm) N SPT v0 m, h, d, L = parametri geometrici (standard) dell attrezzatura e(z)= energia di deformazione di cuffia + aste + sonda = f(profondità) v0

40 40 Resistenza terreni a grana grossa da prove SPT Abaco di de Mello (1971) Applicazione a sottosuolo eterogeneo 50 ϕ'=50 ϕ'=45 40 ϕ'=40 30 PT NS 20 ϕ'=35 10 ϕ'=30 ϕ'= σ' v (kpa) Per un dato terreno, N SPT aumenta con σ v (cioè con la profondità) NB: non è detto che N SPT più alti corrispondano a ϕ maggiori!!!

41 41 Prova SPT: interpretazione indiretta Determinazione sommaria della densità relativa (N SPT D r ) N SPT Densità relativa Terzaghi & Peck (1948) Gibbs & Holtz (1957) < 4 molto sciolta 0-15% 4 10 sciolta 15 35% media 35 65% densa 65 85% > 50 molto densa % N SPT densità relativa angolo d attrito (in terreni a grana grossa) 1. Determinazione della densità relativa 2. Determinazione dell angolo d attrito (N SPT, σ v D r ) (D r + granulometria ϕ )

42 42 Prova penetrometrica dinamica vs. statica Svantaggi SPT rispetto a CPT Profilo discontinuo Necessità fori sondaggio Sensibilità fattori sperimentali Scarsa significatività in terreni fini Vantaggi SPT Riconoscimento del terreno Notevole esperienza cumulata Eseguibile in (quasi) tutti i terreni Maggiori profondità raggiungibili

43 43 Equivalenza tra prova penetrometrica dinamica e statica 1. Numero colpi resistenza alla punta equivalente (N SPT, granulometria q c ) (D 50 = diametro della frazione passante al 50%) 2. Determinazione dell angolo d attrito (q c, σ v ϕ ): come per CPT

44 44 Prove pressiometriche

45 45 Prove pressiometriche Riferimento: teoria dell espansione di una cavità - Tensione orizzontale litostatica (poco affidabile); - Modulo di taglio (è utile fare eseguire cicli di scaricoricarico) - Resistenza (c u in terreni a grana fine)

46 46 Prove scissometriche Esecuzione prova: 1. Attesa 2 5 minuti dopo l infissione 2. Applicazione rotazione continua α a velocità costante (6 12 /min) 3. Misura della coppia torcente e registrazione della relazione M t :α fino a rottura ( Mp) 4. Esecuzione di 10 giri completi (senza misura coppia) 5. Attesa 5 minuti e ripetizione della prova su terreno rimaneggiato ( Mr)

47 47 Prove scissometriche Modello: equilibrio limite alla rotazione del cilindro circoscritto alla paletta c U = π D 2 6M t ( D + 3H ) Altri parametri -Sensitività S t = c U(peak) /c U(res) =M t(peak) /M t(res) -Correzioni per anisotropia c U ( operativo) = λ c ( vane) U

48 48 Prove dilatometriche Dimensioni lama ("pala"): larghezza = 95 mm spessore = 14 mm diametro membrana = 60 mm p 0 : inizio espansione membrana p 1 :corrispondente ad un espansione di 1.1 mm p 2 :ritorno alla condizione iniziale

49 49 Prove dilatometriche - Coefficiente dilatometrico K D K D = σ p 0 V 0 u u Correlazione con il coefficiente di spinta in quiete K 0 - Modulo dilatometrico E D E D = E' (1 2ν 2 ) = 34.7 ( p 1 p 0 ) - Indice del terreno I D I D = p 1 p 0 p 0 u Correlazione con la natura del terreno

50 50 Prove geofisiche (sismiche) e geoelettriche GEOFISICHE Principio: -generare onde di volume o di superficie con una sorgente polarizzata; -registrare gli effetti con uno o più ricevitori (geofoni) -ottenere le velocità di propagazione delle onde P, S, R nel terreno (mezzo elastico) e quindi la rigidezza Tipologie - prospezioni sismiche di superficie: metodo a riflessione, a rifrazione, MASW, ; - indagine sismica in foro: prove down-hole, prove cross-hole, ; GEOELETTRICHE Principio: - generare un campo elettrico nel sottosuolo con coppie di generatori (dipoli); - registrare gli effetti con uno o più misuratori di corrente (galvanometri); - ottenere le resistività elettriche ρ a distanze ( spessori) variabili.

51 51 Prospezioni sismiche di superficie Metodo a riflessione onda diretta: onda riflessa: spessore e velocità strato superficiale Metodo a rifrazione onda rifratta: spessore e velocità strato superficiale + velocità substrato

52 52 Sismica a rifrazione con onde S Attrezzatura: 1. sorgente polarizzata trasversale 2. batteria di geofoni orientati 3. registratore multicanale Interpretazione: dromocrone velocità e spessori di strati successivi

53 53 Metodi di indagine sismica da foro Metodo Down-Hole (DH) Scopo: registrare gli arrivi di onde SH a profondità variabili. La sorgente è superficiale, i ricevitori (in numero di uno o più) sono posizionati all interno di un foro. Metodo Cross-Hole (CH) Scopo: registrare gli arrivi di onde SV a profondità variabili. La sorgente è in foro, i ricevitori (in numero di uno o più) sono posizionati in altrettanti fori.

54 54 Prova MASW(Multichannel Analysis of Surface Waves) Sorgente elettromeccanica con regolazione e modulazione di frequenza Utilizzo di più ricevitori (fino a 24) con acquisizione in sincrono Possibilità di automazione della procedura, maggior dettaglio ad alte frequenze Necessari al massimo due riposizionamenti della sorgente per ricavare la curva di dispersione Interpretazione numerica complessa (analisi multimodale) SISTEMA DI ACQUISIZIONE SISTEMA SORGENTE RICEVITORI Generatore di funzione Shaker Distribuzione spostamenti verticali Condizionatore di segnale Schede A\D Analizzatore di segnali Amplificatore Accelerometri Computer

55 55 Confronto di sintesi CH-DH-SWM Aspetto CH DH SASW/MASW Onde indagate SV SH R Numero di fori necessari 2 1 Nessuno Ingombro Limitato Modesto Notevole Misure inclinometriche SI NO NO Disturbo terreno per installazione fori Medio Modesto Assente Massima profondità investigabile Illimitata Limitata Variabile Sensibilità a disturbi ambientali Medio-bassa Media Media Necessità di orientazione dei ricevitori NO SI SI/semplice Volume campionato con singolo impulso Costante Variabile con z Variabile con z Attenuazione vibrazioni con la profondità NO SI SI Rifrazione onde Possibile Inevitabile Inevitabile Capacità di risoluzione Alta Media Media Costo e tempi di esecuzione Alto Medio Basso Difficoltà d'interpretazione Bassa Media Alta pro --- contro