INDAGINI GEOTECNICHE DIVERSAMENTE DA ALTRE DISCIPLINE DELL INGEGNERIA CIVILE, IN CUI LA SCELTA DELLA GEOMETRIA DI PROGETTO E DELLE PROPRIETÀ DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE È PARTE INTEGRANTE DEL PROGETTO STESSO, IN GEOTECNICA - LIMITATAMENTE AI TERRENI DI FONDAZIONE - NON SONO NOTE APRIORI: LA SEQUENZA CON CUI SI INSEGUONO I TERRENI NEL SOTTOSUOLO (STRATIGRAFIA); LA CONDIZIONE DELLA FALDA ACQUIFERA; LE PRORIETÀ DEI MATERIALI. QUESTO E L ESTREMA VARIABILTA DEI TERRENI E DELLE SITUAZIONI NATURALI RENDE IMPRESCINDIBILI I CONTENUTI SPERIMENTALI DELLA GEOTECNICA Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 1
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VOLUMI DI TERRENO INTERAGENTI CON OPERE D INGEGNERIA CIVILE - CAMPO STATICO Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 3
FINALITÀ DELLE INDAGINI Più in particolare, la finalità delle indagini geotecniche è: Individuare la natura e la disposizione stratigrafica dei terreni e delle rocce costituenti il sottosuolo; Definire il regime delle acque sotterranee; Individuare le proprietà dei vati terreni presenti nel sottosuolo. fisiche (assortimento granulometrico, porosità, contenuto d acqua, peso dell unità di volume, ecc.); meccaniche (compressibilità, deformabilità, resistenza a rottura, ecc.) idrauliche (permeabilità). z decine di metri Terreno A Terreno B Roccia Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 4
MEZZI D INDAGINE FINALIÀ MEZZI PROFILO STRATIGRAFICO POZZI TRINCEE CUNICOLI SONDAGGI DIRETTI INDIRETTI INDAGINI GEOFISICHE PROVE PENETROMETRICHE STATICHE (CPT) PROPRIETÀ FISICHE PROPRIETÀ IDRAULICHE REGIME IDRAULICO IN LABORATORIO PROVE SU CAMPIONI INDISTURBATI IN LABORATORIO PROVE DI PERMEABILITA' SU CAMPIONI INDISTURBATI IN LABORATORIO IN SITO PROVE PENETROMETRICHE STATICHE (CPT) PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE (SPT) PROVE SCISSOMETRICHE PROVE DILATOMETRICHE PROVE DI CARICO SU PIASTRA PROVE GEOFISICHE (CH, DH, SASW) IN SITO PROVE DI PERMEABILITA' IN FORI DI SONDAGGIO, POZZI, POZZETTI IN SITO INSTALLAZIONE E MISURE CON PIEZOMETRI Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 5
SONDAGGI Scopo: ricostruire il profilo stratigrafico mediante l esame dei campioni estratti (rimaneggiati ed indisturbati); prelevare campioni indisturbati per la determinazione in laboratorio delle proprietà fisiche e meccaniche; consentire rilievi e misure sulle acque sotterranee; consentire l esecuzione di prove in sito per la valutazione delle proprietà geotecniche del terreno in sede. Pertanto È ASSOLUTAMENTE NECESSARIO UTILIZZARE ATTREZZATURE SPECIFICHE ED IMPIEGARE PERSONALE ESPERTO NEL SETTORE DELLE INDAGINI GEOTECNICHE Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 6
SONDAGGI Vantaggi: possibilità di attraversare qualsiasi terreno, anche a grande profondità e sotto falda; tempi e costi di esecuzione relativamente contenuti (rispetto agli scavi) - il costo varia tra i 80 ed i 110 al metro lineare; - il tempo di esecuzione di un sondaggio di 50 m è di 2-3 giorni; possibilità di eseguire indagini anche in mare o in fiume; semplicità delle operazioni di occlusione del foro Svantaggi: pericolo di non riconoscere eventuali starti di terreno di piccolo spessore; difficoltà di campionamento in terreni a grana grossa incoerenti; impossibilità di eseguire prove in sito a grande scala; possibile disturbo o mascheramento dei terreni per penetrazione del fluido di perforazione, dilavamento, caduta di detriti sul fondo. Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 7
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MCC so wonderful (Moist) stato di conservazione - essiccato, debolmente umido, umido, molto umido, saturo (fare riferimento alle condizioni del terreno esaminato ed annotare eventuali differenze con la situazione naturale in sito); (Colour) colore colori scuri - toni di grigio, marrone, nero, verde, blu colori chiari - rosa, rosso, viola, arancione, giallo; (Consistency) consistenza o stato di addensamento grana fine - molle, plastica, mediamente dura, dura, molto dura, estremamente dura; grana grossa - non determinata su campioni estratti dalle perforazioni (disfatti), ma in base a prove standard in sito: molto sciolto, sciolto, mediamente addensato, addensato, molto addensato; (Soil type) tipo di terreno - con tecniche per identificare la granulometria di massima dei terreni (shaking test, lucentezza superfici, ); (Structure) struttura - solo in senso macroscopico; (Other features) altre caratteristiche - descrittori per identificare caratteri del campione non appartenenti alle precedenti categorie; (Origin) origine - interpretazione geologica (Water Table) falda - interpretazione di misure piezometriche. Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 9
Campionatori prelievo di campioni indisturbati Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 10
Classi di qualità Classe di qualità dei campioni () solo con operazioni estremamente accurate * solo in terreni con resistenza di 1-2 kg/cm2 misurata con penetrometro tascabile Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 11
La situazione in cui si trova un campione indisturbato è simile a quella che si ha nel mezzo granulare più famoso a Napoli! TERZAGHIS TERZAGHIS Aroma Geotecnico La busta esterna consente u relative < 0. Se si buca il campione indisturbato di caffè non è più in grado di sostenere il peso proprio e si sfalda Questa situazione si verifica nei terreni a grana grossa: data la dimensione dei pori, assimilabile e quella dei grani e quindi millimetrica, la membrana cui è deputato il compito di sostenere il regime di u r < 0 (i.e., i menischi capillari) si rompe annullando lo stato di coazione conseguente al campionamento Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 12
INDAGINI GEOTECNICHE (prove in sito) COME GIÀ OSSERVATO NELLA PROGETTAZIONE GEOTECNICA NON SONO NOTE APRIORI LA STRATIGRAFIA, LA CONDIZIONE DELLA FALDA E LE PRORIETÀ DEI MATERIALI SCAVI, SONDAGGI E PROVE SU CAMPIONI INDISTURBATI, QUESTE ULTIME POSSIBILE SOLO NEI TERRENI A GRANA FINA, RISOLVONO PARTE DEI PROBLEMI. RESTA DA DISCUTERE COME OPERARE PER: IL RILEVO DELLE CONDIZIONI DI FALDA; LA CARATTERIZZAZIONE DEL COMPORTAMENTO MECCANICO DEI TERRENI A GRANA GROSSA, IN GRAN PARTE DEI CASI NON CAMPIONABILI IN MODO INDISTURBATO (CON TECNICHE STANDARD); LA VERIFICA DELLA STRATIGRAFIA CON METODI INDIRETTI; DETERMINARE ALTRI PARAMETRI D INTERESSE GEOTECNICO (c u, k 0, ). Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 13
Allo scopo sono state sviluppate numerose tecniche sperimentali in sito per misurare (in modo diretto o indiretto) le proprietà dei terreni nella loro sede naturale. Alcune di queste sono indicate in tabella, dove sono evidenziate quelle maggiormente diffuse, di cui si discuterà brevemente FINALIÀ MEZZI PROFILO STRATIGRAFICO POZZI TRINCEE CUNICOLI SONDAGGI DIRETTI INDIRETTI INDAGINI GEOFISICHE PROVE PENETROMETRICHE STATICHE (CPT) PROPRIETÀ FISICHE PROPRIETÀ IDRAULICHE REGIME IDRAULICO IN LABORATORIO PROVE SU CAMPIONI INDISTURBATI IN LABORATORIO PROVE DI PERMEABILITA' SU CAMPIONI INDISTURBATI IN LABORATORIO IN SITO PROVE PENETROMETRICHE STATICHE (CPT) PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE (SPT) PROVE SCISSOMETRICHE PROVE DILATOMETRICHE PROVE DI CARICO SU PIASTRA PROVE GEOFISICHE (CH, DH, SASW) IN SITO PROVE DI PERMEABILITA' IN FORI DI SONDAGGIO, POZZI, POZZETTI IN SITO INSTALLAZIONE E MISURE CON PIEZOMETRI Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 14
RILIEVO DELLE FALDE E DELLE PRESSIONI NEUTRE STRUMENTI TIPO D (cm ) Installazione Perm eabilità (cm /s) Tubo aperto 5 in sondaggio >10-4 Casagrande 1 1.5 in sondaggio 10-5 10-6 Infisso 2.45 infisso 10-6 10-8 A circuito chiuso 1 1.5 in sondaggio 10-6 10-8 Celle piezom etriche / in sondaggio 10-9 10-10 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO se correttamente installati, permettono di misurare l altezza piezometrica (u/γ w ) rispetto ad un punto (di presa o di misura) disposto nel corpo del sottosuolo. Scelto un piano d riferimento è poi possibile passare alla h=ζ+u/γ w ζ a h a u a /γ w z a ζ a z Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 15
INSTALLAZIONE CASAGRANDE TUBO APERTO Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 16
PRONTEZZA Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 17
CONE PENETRATION TEST (CPT) Tipo di attrezzo: penetrometro standardizzato dotato di punta conica (D = 37.5 mm; α = 60 ), aste cave ed eventualmente manicotto con superficie laterale di 150 cm 2 Installazione attrezzo: da piano campagna Modalità applicazione dei carichi: a pressione con velocità di 2 cm/s Procedure sperimentali: penetrazione di 20 cm con avanzamento alternato di punta, manicotto laterale e di tutto l'attrezzo (penetrometro meccanico); avanzamento continuo (penetrometro elettrico) Grandezze misurate: resistenza alla punta q c e laterale f s Restituzione dati: diagrammi continui (salvo nel caso di rifiuto all avanzamento) di q c, f s e FR = q c /f s in funzione della profondità Parametri ottenibili: resistenza compressibilità Tipo di interpretazione: empirica, φ =f (q c,,σ v ), E ed =f(q c ), E =f(q c ), cu=f(q c,σ v ) Limitazioni: alcuni problemi in argille tenere Notazioni: importante rispettare gli standard Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 18
0 Resistenza alla punta (MPa) 0 10 20 30 40 50 5 10 Profondità (m) 15 20 25 30 35 40 Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 19
CONE PENETRATION TEST (CPTU) Esistono versioni più avanzate del CPT che, oltre a q c, f s, permettono la misura di altre quantità. Una versione particolarmente interessante per il riconoscimento dei terreni attraversati (i.e., per utilizzare i dati della prova a fini stratigrafici) è quella dotata di punta piezometrica. Questa tipo di penetrometro (CPTU) consente la misura delle δu indotte in fase di avanzamento (2 cm/s) e quindi il riconoscimento del tipo (grana fina, grana grossa) di materiale attraversato. Su tali misure si tornerà più oltre. Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 20
Uso del CPT a fini stratigrafici Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 21
Uso del CPT a fini stratigrafici Terreni FR Torbe ed argille organiche 15 Limi ed argile 15-30 Limi sabbiosi e sabbie limose 30-60 Sabbie e sabbie con ghiaia 60 Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 22
Uso del CPT a fini stratigrafici Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 23
Esempi di correlazioni empiriche tra i risultati delle prove CPT e le proprietà dei terreni Durgunoglu e Mitchell (1975) Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 24
Esempi di correlazioni empiriche tra i risultati delle prove CPT e le proprietà dei terreni È possibile ottenere una stima del modulo di compressione edometrica E ed come: E = α ed q c in cui α è un parametro adimensionale che assume valori compresi tra 2.5 e 5 passando dalle sabbie fini a quelle ghiaiose. Esistono anche correlazioni con il modulo secante di deformazione assiale E 25 ricavabile da prove triassiali drenate al 25% della tensione deviatorica di rottura: E = β 25 q c con β variabile tra 1.8 e 2.6 nelle sabbie sciolte e tra 6 e 19 in quelle dense. Nel caso dei terreni a grana fina la penetrazione avviene in condizioni non drenate. Utilizzando le formule statiche, ossia l espressione teorica della resistenza alla punta in condizioni non drenate di un palo di fondazione, è possibile scrivere: c u = qc σ N c z In cui il coefficiente adimensionale N c assume valori variabili tra 10 e 30, minori di 15 in argille molli o poco consistenti e maggiori di 15 in quelle consistenti o molto consistenti. Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 25
Esempi di correlazioni empiriche tra i risultati delle prove CPT e le proprietà dei terreni Robertson e Campanella (1983) Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 26
STANDARD PENETRATION TEST (SPT) Tipo di attrezzo: campionatore a pareti grosse standardizzato (Raymond: D = 35 mm; L = 533 mm) Installazione: da foro di sondaggio Modalità applicazione dei carichi: infissione mediante caduta di una massa di 63.5 kg da 76 cm di altezza sulla testa della colonna di aste poste al di sopra del campionatore, con ritmo compreso tra 10 e 25 colpi al minuto Procedure sperimentali: penetrazione del campionatore per 15 cm per l eliminare della zona disturbata a fondo perforazione. Successiva penetrazione per 15 + 15cm Grandezze misurate: numero di colpi necessari ad ottenere la penetrazione in ciascun tratto di 15 cm Restituzione dati: istogramma (profilo discontinuo) riportante N1 ( 50) e N SPT = N2 + N3 ( 100) in funzione della profondità Parametri ottenibili: resistenza, compressibilità Tipo di interpretazione: empirica, φ =f( NSPT,σ v ), E ed =f(n SPT,D) Limitazioni: valida essenzialmente per terreni a grana grossa. Nel caso di ghiaie grosse si deve usare la punta conica SCPT Notazioni: usare solo attrezzature che seguono gli standard Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 27
Schema della prova SPT Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 28
0 Nspt (numero colpi/piede) 0 25 50 75 100 5 profondità dal p.c. (m) 10 15 20 25 30 35 Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 29
Esempi di correlazioni tra N SPT e proprietà dei terreni attraversati DENSITÀ RELATIVA N SPT Terzaghi-Peck (1948) Gibb-Holtz (1957) 0-4 molto sciolta 0-15% 4-10 sciolta 15-35% 10-30 media 35-65% 30-50 densa 65-85% > 50 molto densa 85-100% Gibb-Holtz (1957) Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 30
Esempi di correlazioni tra N SPT e proprietà dei terreni attraversati De Mello (1971) Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 31
Esempi di correlazioni tra N SPT e proprietà dei terreni attraversati E ed N SPT Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 32
IL CAPITOLO DELLE INDAGINI DI LABORATORIO È STATO AFFRONTATO NEL CORO DI FONDAMENTI DI GEOTECNICA identificazione e classifica proprietà indice PROVE MECCANICHE edometrica triassiali, CID (S), CIU (Qc), UU (Q) taglio diretto ALTRE PROVE DI SITO E LABORATORIO FORMANO OGGETTO DEL CORSO DI INDAGINI GEOTECNICHE Opere Geotecniche C. Mancuso pag. 33