Interpretazione delle prove in laboratorio

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1 Interpretazione delle prove in 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

2 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) Minimizzare il disturbo prodotto dallo strumento Introdurre un modello meccanico per l analisi dei risultati

3 Lo scissometro o Vane Attrezzatura: - paletta (vane), composta da 4 rettangoli di lamiera d acciaio con sezione a croce - sistema di aste metalliche alla cui estremità è saldato il vane - dispositivo per applicare rotazione a velocità costante, con misuratore di coppia

4 Prova scissometrica o Vane Test (VT) Dimensioni tipiche: diametro D = mm altezza H = 2D spessore s = mm Limitazioni esecutive: solo in terreni a grana fine poco consistenti

5 Vane Test: modalità di installazione Installazione: da foro: infissione a pressione fino a 50 cm oltre il fondo foro di sondaggio Vane borer (autoperforante): infissione continua dal p.c., all interno di una batteria di tubi Prove in sito 5

6 Vane Test: fasi di messa in opera 1. Esecuzione di una prova penetrometrica statica (CPT) o meglio di un sondaggio a carotaggio o a distruzione nella figura un CPT con rivestimento.fino ad una profondità prossima a quella di esecuzione del VT; il rivestimento deve essere infisso dopo la penetrazione di ogni asta. 2. Estrazione solo di aste e punta penetrometrica, poi inserimento del vane con le sue aste. 3. Infissione del vane al dal fondo foro per raggiungere terreno indisturbato. 4. Fissaggio del cuscinetto reggispinta e del manicotto di centraggio tra aste di prolunga e rivestimento. 5. Serraggio del vitone per bloccare le aste di prolunga al manicotto di supporto. 6. Applicazione della chiave torsiometrica. 7. Esecuzione della prova. Prove in sito 6

7 Vane Test: esecuzione della prova 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 ( M p ) 4. Esecuzione di 10 giri completi (senza misura coppia) 5. Attesa 5 minuti e ripetizione della prova su terreno rimaneggiato ( M r ) α& = 1 /10s = 6 / min 25

8 + = π π + π = θ = θ + = = + = π π D H D c R c H R c rd dr r c Rd dh R c M M M u u u R u H u b l t = D H 2 Prove in sito 8 Vane Test: interpretazione Modello: equilibrio limite alla rotazione del cilindro circoscritto alla paletta Interpretazione (diretta): ) 3 ( 6 2 H D D M c t u + π = D M c t u π =

9 Vane Test: optionals indice di sensitività al rimaneggiamento S = c c u, p u, r M M p r fattori di correzione (in base a confronti con prove di laboratorio e esperienza locale) ( cu ) = λ ( cu ) progetto misurata p. es. Bjerrum (1973)

10 Vane Test: profili sperimentali Il sottosuolo del rilevato sperimentale di Porto Tolle

11 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 Limitazioni esecutive Richiede riperforo in terreni sabbio/ghiaiosi addensati/cementati

12 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

13 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 Prove in sito 13

14 CPT meccanico: esecuzione Con punta semplice Con manicotto (I) (II) (IIbis) (III) 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 LL /A s = resistenza laterale locale III. avanzamento 10 cm aste misura R L r l =R L /A l = resistenza laterale totale (inutilizzata)

15 CPT elettrico Avanzamento continuo di punta, manicotto, aste misura contemporanea di q c e f s trasduttori

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

17 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

18 Regola generale: Prova CPT come indicatore stratigrafico Terreni Valori q c, f s Andamenti Sovrapressioni Grana grossa elevati irregolari u 0 Grana fine ridotti regolari u 0

19 Prova CPT come misura di resistenza Modello equilibrio limite del volume di rottura circostante la punta Interpretazione per terreni a grana fine Carico limite in condizioni non drenate (tensioni totali) q c = σ v0 + N c c u c u = q c σ N c v0 σ v0 = tensione totale verticale alla profondità della punta 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.

20 Prova CPT come misura di resistenza Modello equilibrio limite del volume di rottura circostante la punta Interpretazione per terreni a grana grossa Carico limite in condizioni drenate (tensioni efficaci) q c = N q σ' v0 N q = q σ' c v0 = f ( ϕ' ) ϕ' σ v0 = tensione efficace verticale alla profondità della punta 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

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

22 Prova CPT: interpretazione indiretta q c densità relativa angolo d attrito (in terreni a grana grossa) Può essere più accurata perché tiene conto dell influenza anche della granulometria (senza dimenticare che si tratta di correlazioni empiriche. ) 1. Determinazione della densità relativa (q c, σ v D r ) 2. Determinazione dell angolo d attrito (D r + granulometria ϕ ) Prove in sito 22

23 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: Rf 1/FR Terreni FR Torbe, Argille organiche 15 Limi, Argille Limi sabbiosi, Sabbie limose Sabbie, Sabbie con ghiaia 60

24 Prova CPT: interpretazione per rigidezze.. Parametri di rigidezza (in terreni a grana grossa) Modello: non c è (il CPT è una misura di resistenza!) 1. Modulo di Young, E 2. Modulo di compressione edometrica, E ed E = β q c Terreno Sabbia limosa 1.5 Sabbia mediamente densa 2 Sabbia densa 3 Sabbia e ghiaia 5 β E = α ed q c α = 2.5 (sabbie fini) 5 (sabbie ghiaiose) E = η 25 q c η = (sabbie n.c.) 6 19 (sabbie o.c.) E ed = k E k =

25 Prova penetrometrica dinamica o Standard Penetration Test (SPT) Sonda standardizzata ( campionatore Raymond ) o punta conica infissa a percussione 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!): SCPT (Standard Cone Penetration Test): punta conica, avanzamento continuo DLPT (Dynamic Lightweight Penetration Test): punta conica, energia impatto 1/6

26 Installazione di una 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

27 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

28 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 sonda e particelle grossolane.. Prove in sito 28

29 terreno omogeneo Esempi di profili SPT

30 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 ( z) N = f ( σ ϕ ) N SPT SPT v0 mgh = 2πdL τ i + e, ( N SPT, ) ϕ = f σ v0 τ = tensione tangenziale a rottura alla profondità di prova (= σ h0 tan ϕ σ v0 tan ϕ ) i = infissione (30 cm) m, h, d, L = parametri geometrici (standard) dell attrezzatura e(z)= energia di deformazione di cuffia + aste + sonda = f(profondità)

31 Correzione Nspt (Skempton, 1986)

32 Hammers (masse battenti-diversi sistemi) (Skempton, 1986)

33 Resistenza terreni a grana grossa da prove SPT Abaco di de Mello (1971) Applicazione.. 50 ϕ'=50 ϕ'=45 40 ϕ'=40 NSPT ϕ'= ϕ'=30 ϕ'= σ' v (kpa)

34 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 (N SPT, σ v D r ) 2. Determinazione dell angolo d attrito (D r + granulometria ϕ ) Prove in sito 34

35 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

36 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%)

37 Correlazioni analitiche suggerite..