La potenzialità delle prove Prova SPT DP CPTM CPTE/U DMT Tipo di terreno Ghiaie (1) e sabbie Ghiaie (2) e sabbie Tutti escluse ghiaie Tutti escluse ghiaie Tutti escluse ghiaie Si (3) Profilo ogni 20 o 30 Ogni 20 cm Continuo Si (4) Si, stratigrafico cm Prelievo Campioni Si No No No/Si No Sensibilità ai cambiamenti litologici Correlazioni empiriche per derivare i parametri Interpretazione teorica per derivare i parametri Possibilità di aggiungere altri sensori Si Ogni 20 cm Discreta Discreta Buona Ottima Ottima Si Si Si Si Si No No Si Si Si No No No Si Si Ripetibilità Mediocre Discreta Buona Ottima Ottima Note: (1) penetrometro Becker (LPT) (2) max. ghiaietto (3) in foro di sondaggio (4) resistenze all infissione
L affidabilità delle prove Prova Lit. U f S u D R M C h - k E G 0 K 0 OCR SPT 10* 0 3 3 6 0 0 3 0 3 DP 3 0 3/6 3 3 0/3 0 3 0 3 CPTM 6 0 6 6 6 3/6 0 6 3 6 CPTE/U 10 0/10 6 10 10 6 0/10** 6 3/6 6/10** SCPTU 10 10 6 10 10 6 10** 10 6 6 DMT 6/10 3 6 6 3 10 0 6 6 6 * Se in foro di sondaggio - ** Piezocono Da Lunne, 1997- Robertson, 2012 (modificata) Lit = litologia - U = pressione nei pori - f = angolo d attrito - S u = resistenza al taglio non drenata - D R = densità relativa - M = Modulo confinato - C h = parametri di consolidamento permeabilità E/ G 0 = moduli di Young e di taglio - K 0 = tensione orizzontale in sito - OCR = storia dello stato tensionale (grado di sovraconsolidamento) Punteggi: 10 = ottima - 6 = buona - 3 = mediocre - 0 = nessuna
La ripetibilità delle prove in sito - SPT
La ripetibilità delle prove in sito - DP Prove DPSH in un sito piemontese Alluvioni del fiume Arno (da Squeglia et al., 2006)
La ripetibilità delle prove in sito CPTE/M da Horta jr., 2003
La ripetibilità delle prove in sito - CPTE da Horta jr., 2003
La ripetibilità delle prove in sito - CPTU da Horta jr., 2003
La ripetibilità delle prove in sito - DMT da Abramson
Problema da risolvere e applicabilità Punteggi: 10 = ottima - 6 = buona - 3 = limitata - 0 = nessuna Applicazione Litologia SPT- DP Fondazione diretta Fondazione su pali Stabilità del pendio q s CPTM CPTE/U DMT Incoerente 3 6 10 10 Coesiva 3 3/6 10 10 Incoerente 3 3/6 6 10 Coesiva 0 3/6 6/10 10 t Coesiva 0 0/6 10 6 q b Incoerente 10 6/10 10 6 Coesiva 10 6/10 10 6 q l Incoerente 3 6 6 10 Fs Coesiva 3 6 10 10 Incoerente 3 6 6 10 Coesiva* 3 0 0 10 Coesiva** 0 3 3 0 Miglioramento Incoerente 3/6 6 6/10 10 * Sforzi totali **Sforzi efficaci Coesiva 3 6 6/10 10 q = capacità portante; s = cedimenti ; t = s nel tempo; q b = di base; q l = laterale; Fs = fattore sicurezza Da Failmezger, 2004, modificata
Un commento generale sulle prove Vantaggi Svantaggi Si ottiene un campione disturbato *) Costosa **) Ottenere sia un numero che un campione Semplice e robusto Valido in diversi tipi di terreno Si può eseguire in rocce tenere Usato in tutto il mondo Prova SPT In Italia non si usa spesso il campionatore Un solo numero Poco applicabile in argille tenere Variabilità elevata ed incerta Discontinua (*) a condizione che si usi una punta aperta (campionatore Raymond) (**) si esegue in foro di sondaggio
Un commento generale sulle prove Prova DPSH Vantaggi Attrezzatura facilmente trasportabile Semplice da eseguire ed economica Non richiede personale particolarmente specializzato Veloce da eseguire Valido nei terreni a grana grossa Resistenza misurate in continuo (ogni 10 o 20 o 30 cm) Svantaggi Attrezzature diverse operanti nel mondo senza standardizzazione Attrito sulle aste in assenza di utilizzo del rivestimento Non si eseguono misure del rendimento energetico del dispositivo di battitura In Italia troppe tipologie di prova ammesse (4) Poco attendibile nei terreni a grana fine Nessun campione di terreno
Un commento generale sulle prove Vantaggi Attrezzatura facilmente trasportabile e robusta Profilo dati in quasi continuo (letture ogni = 20 cm ) Veloce ed economica Prove DMT Svantaggi Difficoltà di spinta in materiali molto addensati o duri Medio investimento di capitale Non adatta in depositi ghiaiosi grossolani Ripetibile e non influenzata dall operatore Nessun sensore elettronico Valutazione delle caratteristiche di permeabilità e consolidamento In caso di ghiaie o depositi cementati necessario preforo La penetrazione dinamica può influenzare i risultati Nessun campione di terreno
Un commento generale sulle prove Vantaggi Attrezzatura facilmente trasportabile Profilo dati in quasi continuo (CPTM = 20 cm ) o continuo (CPTE/U = 1 o 2 cm) Economica con alta produttività Prove CPT Svantaggi Richiede operatori con esperienza Medio/Alto investimento di capitale (CPTE/U) Non adatta in depositi ghiaiosi grossolani Risultati poco soggettivi Molto adatta ai terreni teneri In caso di ghiaie o depositi cementati necessario preforo Nelle CPTE/U sensori elettronici Valutazione delle caratteristiche di permeabilità e consolidamento (CPTU) Nessun campione di terreno (1) (1) Possibile l uso di punta con campionatore (CPTE/CPTU)
La prova CPT: l interesse della comunità internazionale articoli presentati sulle prove in sito al CPT 10 Da Schneider, CPT 10
L incertezza nella determinazione delle proprietà geotecniche I dati da utilizzare in un progetto sono condizionati da: Una incertezza aleatoria legata alla variabilità intrinseca delle proprietà geotecniche, che non può essere eliminata, dovuta ai processi geologici e geomorfologici che hanno portato alla genesi, e che continuamente agiscono, sui terreni (e rocce) e che sono responsabili della eterogeneità e variabilità spaziale (in direzione sia verticale e laterale) di tali proprietà. Una incertezza epistemica dovuta alla mancanza di conoscenza su un parametro derivante dagli errori di misura dovuti alla strumentazione utilizzata, dalle imperfezioni nelle procedure di prova, dagli errori umani e dagli errori sistematici impliciti (bias) All incertezza statistica propria alla tecnica di stima utilizzata, ad errori di campionamento ed al numero delle misure eseguite Ad una incertezza di modello, cioè il rapporto tra valore reale e valore calcolato dal modello; in genere quantificata con la deviazione standard del valore medio
L incertezza epistemica (COV in %) Prova Errore strumentazione Errore umano Errore sistematico Totale Valori più probabili SPT 5 75 5 75 12 15 14 100 15 45 CPTM (punta) CPTM (attrito) CPTE/U (punta) CPTE/U (attrito) 5 10 10 15 5 15 15 22 3 5 5 7 3 5 10 12 15 25 5 15 DMT 5 5 8 11 5 15 Kulhawy & Trautmann, 1996
Quale prova in sito? Una prova in sito, da un punto di vista puramente teorico, deve: non avere margini di incertezza nelle misure, identificare il comportamento del terreno in maniera esente da ambiguità, essere basata su un modello interpretativo teorico legato ai classici fondamenti della meccanica dei terreni, essere eseguita con alta velocità di penetrazione in qualsiasi tipo di terreno avente temperature dal permafrost alla colata vulcanica, poter operare da un veicolo autonomo in qualsiasi tipo di terreno, sopra e sottofalda, essere standardizzata in maniera univoca. Peuchen K& Terwindt, 2014
Quali considerare valide? Una tale prova ideale non esiste Le prove che più si avvicinano ai requisiti richiesti sono (nell ordine di importanza): La prova CPT La prova DMT In particolare, la prova CPT con piezocono misura la resistenza alla penetrazione di un cono e di un manicotto d attrito, può essere dotata di un misuratore della pressione interstiziale per prove di dissipazione, ha una geometria standardizzata e viene spinta nel terreno ad una velocità costante di circa 2 cm/secondo; l attrezzatura è robusta e può essere dotata di vari sensori addizionali, fra cui termometro - geofoni (cono sismico) pressurimetro videocamera resistivimetro misuratore di radioisotopi- phmetro
Perché considerare le prove CPT e DMT? Prova Errore strumentazione Errore umano Errore sistematico Totale Valori più probabili COV % SPT 5 75 5 75 12 15 14 100 15 45 CPTM (punta) CPTM (attrito) CPTE/U (punta) CPTE/U (attrito) 5 10 10 15 5 15 15 22 3 5 5 7 3 5 10 12 15 25 5 10 DMT 5 5 8 11 5 15 Kulhawy & Trautmann, 1996
Per finire I costi A
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Una critica alla prova SPT Da un numero si può ricavare tutto? da Mayne 2001
L SPT si è evoluto nel tempo? 1902 1950 La tecnologia 2014 La tecnologia Dal 1920 a oggi è (quasi) sempre lo stesso
PROVA SPT (nelle terre prive di ghiaia da Sanglerat ) quello che si dovrebbe fare e non si fa quello che non si dovrebbe fare e si fa Perforazione rivestita Approfondimento con uso di bentonite (carotiere f=96 mm, H=2.5 m) Esecuzione della prova Carotaggio + avanzamento del rivestimento + pulizia foro Si dovrebbe eseguire la prova con campionatore; nella maggior parte dei casi, in qualsiasi terreno, esecuzione della prova con punta conica
La prova SPT: commenti Diametro di perforazione non superiore a 130 mm (preferibile 101 mm) La perforazione o l eventuale rivestimento metallico non deve superare la quota della prova Impiegare acqua o fango di perforazione (evitare perforazione a secco) Il livello del fluido deve essere sempre superiore al livello di falda Alla quota della prova eseguire la pulizia del foro con utensile di perforazione adatto (tricono) e fango; la circolazione del fluido deve essere radiale rispetto al foro Altamente raccomandabile il suggerimento del Dott. Togliani di non limitare la prova a 3 affondamenti (15+15+15) ma proseguirla in continuo per almeno un metro per bypassare una eventuale zona ancora rimaneggiata, continuando a misurare N15
N = numero dei colpi misurato N 60 = numero dei colpi corretto La prova SPT le correzioni da applicare N 60 = (N)(C E )(C R )(C S )(C B ) N 1,60 = N 60 (C N ) C E = correzione per l energia trasmessa alle aste C R = correzione per la lunghezza delle aste C S = correzione per il metodo di campionamento C B = correzione per il diametro del foro N 1,60 = numero dei colpi normalizzato per la profondità di prova C N = correzione per la pressione litostatica La correzione C N va applicata nei terreni sabbiosi per il calcolo della densità relativa e dell angolo d attrito, parametri influenzati dalla tensione efficace agente alla quota di prova, nonché nella valutazione della liquefacibilità del sito.
quello che di dovrebbe fare e non si fa La misura dell energia trasmessa alle aste CE = ER/60 Uno strumento di misura Asta strumentata E di fondamentale importanza misurare ER = energia trasmessa alle aste (dovrebbe essere sempre determinata con l apposito strumento); obbligatoria negli USA
Fattori di correzione al valore di N Lunghezza delle aste CR 3 4 m 4 6 m 6 10 m 10 30 m > 30 0,75 0,85 0.95 1 1 Diametro del foro CB 65 115 mm 150 mm 200 mm 1,00 1,05 1,15 Metodo di campionamento CS Campionatore standard Campionatore con portacampioni 1,0 1,1 1,3
Fattori di correzione al valore di N CN C N riporta il valore di N 60 al valore che si avrebbe se la pressione litostatica efficace (in unità di Pa) alla profondità di misura di N 60 fosse pari alla pressione atmosferica Pa (1 atm, 1 Kg/cmq, 101 kpa);il valore massimo raccomandato di CN è 1,7 (Cetin suggerisce 1,5).
Una nota importante Nella realtà italiana e svizzera in genere viene sistematicamente impiegata la punta conica e non il campionatore, come si dovrebbe, anche nelle terre prive di ghiaia. Le differenti caratteristiche di penetrazione del campionatore e della punta conica portano a risultati che possono essere paragonabili come tendenza ma del tutto diversi dal punto di vista numerico. ISOPT-1 Orlando, 1988
Una nota importante Sarebbe quindi necessaria una riconversione dei valori di N 60 da cono a campionatore, poco praticabile in quanto si dovrebbe ricorrere ad un ennesimo fattore di correzione, il che non dà alcuna certezza di lavorare su dati omogenei. In letteratura si trovano diversi tentativi di stabilire una correlazione tra campionatore aperto e cono: Meyerhof (1956) raccomanda di utilizzare per il passaggio da Ncono a NSPT in valore di 0,5; Shultze e Knausenberger (1957) propongono il valore di 0,8; Mohan (1970) trova il valore di 0,75. Cardenas (2002) da una estesa serie di indagini nei terreni cileni per la realizzazione di terminali petroliferi trova il valore di 0,5. Considerando che i valori riportati si riferiscono a terreni ghiaiosi ed essendo ormai consolidata la prassi di utilizzare sempre e comunque la punta conica e troppo costosa una presenza costante in cantiere per il controllo della stretta osservanza delle specifiche, in alternativa è consigliabile continuare la prova SPT oltre i canonici 45 cm. (come detto prima), considerarla quindi come una prova DP calcolando la resistenza dinamica e successivamente la resistenza statica equivalente, applicando la correlazioni proprie dalla prova statica (Togliani, 2002).
Una domanda Perché laddove possibile non si utilizza, come prescritto, il campionatore che permetterebbe di ottenere un campione su cui eseguire le prove di classificazione? (fondamentali nella valutazione della liquefacibilità) Costi aggiuntivi? Pigrizia? Ignoranza?
Fonti di errore nella prova SPT Le più comuni fonti di errore nella valutazione di N legate all attrezzatura utilizzata sono riportate di seguito: Pulizia del foro inadeguata Mantenimento di un livello di fluido nel foro non adeguato Altezza di caduta non controllata Peso del maglio non controllato Il maglio colpisce il collare in maniera eccentrica Utilizzo di aste non perfettamente verticali Misura del numero dei colpi non corretta Un controllo sull affidabilità della prova SPT può essere eseguito applicando il criterio proposto da Schmertmann (1979) basato sui rapporti fra i tre valori di N misurati nell intervallo di 45 cm (N 1 + N 2 + N 3 ): perché la prova possa essere considerata affidabile deve essere sempre verificata la: X 1 < X 2 se questa condizione non risulta verificata, la causa può essere ricondotta ad un cambio di litologia nei 45 cm attraversati o alla mancanza o non corretta esecuzione della pulizia del foro prima dell esecuzione della prova.
La prova DP La prova è una prova dinamica continua in cui i valori misurati della resistenza alla punta possono essere ricondotti al valore di NSPT grazie a delle costanti di trasformazione funzione delle caratteristiche del tipo di penetrometro dinamico impiegato (anche se si dovrebbe sempre impiegare il DPSH). Il vantaggio è che, oltre ad essere meno costosa della prova SPT, fornisce valori di N continui con la profondità. I valori, convertiti in N60, possono essere smussati con tecniche di filtering (smussamento dei picchi). La stratigrafia attraversata può essere sommariamente identificata impiegando (obbligatoriamente) il rivestimento in avanzamento o dedotta da altre tipologie di indagine eseguite in adiacenza (progetti di una certa dimensione o importanza). originali filtrati rivestimento
La prova DP: una stima della litologia Con l utilizzo del DPSH Meardi-AGI, molto utilizzato in Italia del nord, in prima approssimazione una indicazione sulla natura dei terreni attraversati può essere stimata in accordo a quanto indicato dal Prof. Meardi sulla base della resistenza del rivestimento: Per resistenze basse inferiori a quelle della punta: GHIAIOSO Per resistenze basse a cavallo della punta: SBIOSO Per resistenze che aumentano linearmente e maggiori di quelle della punta: LIMOSO Per resistenza che aumentano con legge esponenziale: ARGILLOSO L ing. P. Meardi suggeriva (1981) che il rivestimento può seguire la punta anche dopo 2 m. in caso di sabbie e ghiaie, deve seguire immediatamente la punta in caso di argille
La prova DP: una stima della litologia Con gli altri tipi di penetrometri (ISSMEF) si possono utilizzare i seguenti suggerimenti: Rapporto N punta /N rivestimento Natura del terreno < 4 ghiaiosa 2 4 sabbiosa 0,7 2 sabbiosa limosa 0,4 0,7 limosa 0,4 0,25 limosa argillosa < 0,25 argillosa Dott. De Bernardo (Program Geo) 2005 E importante sottolineare che le indicazioni date sono da considerarsi di primo tentativo e vanno sempre suffragate con una conoscenza della geologia dell area di indagine o da un sondaggio geognostico
La prova DP: il passaggio da NSPT a NDP Normalmente si pone NSPT = NDP, incorrendo quindi nell errore di non considerare le diverse energie prodotte da ogni sistema; personalmente ritengo che il miglior modo per eseguire tale passaggio sia il ricorrere al metodo proposto da LaCroix e Horn (1973) per cui: W = peso del maglio (kg) H = altezza di caduta (cm) D = diametro del cono (cmq) L = penetrazione standard (cm) N = numero dei colpi misurato nella prova non standard Diversi Autori (Meardi 1967, 1971, 1974), (Vanelli e Benassi, 1983), (Tissoni, 1987) hanno cercato di correlare i valori N DP ai valori di N SPT sulla base di prove SPT eseguite in adiacenza a prove DP, con risultati che non possono essere convalidati dato il limitato numero di prove (eseguite solo in un ambito litologico locale) e le incertezze legate alle stesse modalità di prova, non chiaramente specificate. La relazione di LaCroix e Horn ha il vantaggio di poter considerare energie specifiche legate al tipo di attrezzatura utilizzata.
La prova DP: le costanti di trasformazione I valori delle costanti di trasformazione da utilizzare sono: Penetrometro Valore della costante DPL leggero ISSMFE 0,63 DPM medio ISSMFE 0,76 DPSH superpesante ISSMFE-Emilia 1,51 DPSH superpesante Meardi-AGI 1,16 I valori indicati, ed in particolare quelli relativi alle DPSH, sono stati confermati recentemente sia da Crespellani et al. (2002) nella valutazione del rischio di liquefazione a Nocera scalo (Umbria) che in un studio compiuto da Gaba et al. (2004), oltre che da altri ricercatori (Tonks & Whyte, 1989). Bisogna tenere sempre presente che i valori delle costanti di trasformazione calcolati sono puramente teorici e, come tali, indicativi. Raccomando di utilizzare le sole prove DPSH e NON le DPL - DPM
La Prova DP: smussamento statistico dei picchi Come tutti gli addetti ai lavori ben sanno, la maggior parte dei diagrammi penetrometrici è caratterizzato dalla presenza di picchi dovute a contingenze locali che falsano in eccesso il valore di N DP misurato. E opportuno in questo caso applicare su tutta la serie di misure un funzione di smussamento dei picchi (filtering). Come funzione di smussamento si può applicare quella proposta da Crespellani & Loi per cui si definisce una funzione G con: G = N (i-1) + N (i) a nel caso sia N (i-1) > N (i+1) G = N (i+1) + N (i) a nel caso sia N (i-1) < N (i+1) dove a è un coefficiente riduttivo. Se G risulta inferiore a N (i), N(i) prende un valore smussato pari a: dove m 1, m 2, m 3 sono coefficienti ponderali. I valori ottimali dei coefficienti sono a = 0,08 - m 1 = 10 - m 2 = 3 - m 3 = 10