LA PROGRAMMAZIONE DELLE INDAGINI GEOTECNICHE Paola Monaco Università dell'aquila Dipartimento Ingegneria Strutture Acque e Terreno paola.monaco@univaq.it Convegno Associazione Geotecnica Italiana Programmazione delle indagini geotecniche come elemento della progettazione di nuove opere e per il consolidamento di quelle esistenti Forum della Tecnica delle Costruzioni 2011 Documenti di riferimento NORMATIVA Norme Tecniche per le Costruzioni 2008 D.M. 14 gennaio 2008 Circolare 2 febbraio 2009, n. 617 Istruzioni per l'applicazione delle "Nuove norme tecniche per le costruzioni" di cui al D.M. 14.01.2008 Eurocodice 7 Progettazione geotecnica Parte 1: Regole generali (EN 1997-1:2004) Parte 2: Indagini in sito e prove di laboratorio (EN 1997-2:2007) RACCOMANDAZIONI / LINEE GUIDA AGI (1977) Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle indagini geotecniche (in corso di aggiornamento) AGI (2005) Aspetti geotecnici della progettazione in zona sismica. Linee guida. 2
www.associazionegeotecnica.it 3 Problematiche peculiari in Ingegneria Geotecnica TERRENO = SISTEMA MULTIFASE Comportamento meccanico dipende da interazione fra le fasi (scheletro solido poroso + acqua/aria nei pori) VARIABILITÀ DEL MEZZO Materiali eterogenei presenti in natura, proprietà ingegneristiche non assegnabili "a priori" necessità di specifiche INDAGINI da programmare caso per caso ASPETTI COSTRUTTIVI e TECNOLOGICI importanti (a volte determinanti) nel progetto 4
Approccio metodologico 5 Scopo delle indagini geotecniche In INGEGNERIA GEOTECNICA necessaria caratterizzazione fisico-meccanica della parte di sottosuolo che influenza il comportamento dell'opera in progetto caratterizzazione geotecnica del sottosuolo acquisizione mediante INDAGINI di elementi che consentano di schematizzare la situazione naturale complessa in un modello da analizzare con strumenti teorici disponibili 6
Scopo delle indagini geotecniche Affinché il modello rappresenti la realtà senza trascurare o portare in conto in modo erroneo/inadeguato fattori determinanti per il problema in studio ogni indagine deve essere programmata e interpretata con chiara visione di obiettivi (e limiti) Estensione e approfondimento delle indagini, attrezzature e tecniche sperimentali, criteri di elaborazione e interpretazione dati dipendono da caratteristiche di opera in progetto + sottosuolo 7 Caratterizzazione geotecnica del sottosuolo OBIETTIVI MINIMI Caratterizzazione stratigrafica del sottosuolo (costituzione del sottosuolo, geometria delle stratificazioni presenti) Regime delle pressioni interstiziali (superficie libera della falda, condizioni di quiete o di moto dell'acqua) Proprietà fisiche e meccaniche dei terreni ricadenti nel volume significativo Valutazione della risposta simica locale del sito con riferimento alla quota del manufatto 8
Progettazione geotecnica CHECK LIST 1. Scelta delle opere geotecniche 2. Identificazione stati limite 3. Programmazione indagini geotecniche 4. Identificazione valori rappresentativi e valori caratteristici dei parametri geotecnici 5. Identificazione/qualificazione azioni e definizione dei loro valori caratteristici 6. Scelta approccio progettuale e definizione valori di progetto di azioni, parametri geotecnici e resistenze 7. Verifiche di progetto 9 Identificazione stati limite Esempio: progetto di paratie Stati Limite Ultimi geotecnici Rotazione intorno ad un punto dell'opera dimensionamento paratia secondo metodi dell'equilibrio limite paratia a sbalzo paratia ancorata 10
Identificazione stati limite Esempio: progetto di paratie Stati Limite Ultimi strutturali Rottura strutturale della paratia Rottura di ancoraggi o puntoni 11 Identificazione stati limite Esempio: progetto di paratie Stati Limite Ultimi idraulici Sifonamento del fondo scavo Instabilità del fondo scavo per sollevamento 12
Stati limite e verifiche di sicurezza (NTC 2008) STATO LIMITE ULTIMO (SLU) situazioni di ROTTURA o COLLASSO STRUTTURALE tramite coefficienti parziali di sicurezza si attribuiscono ad azioni e parametri di resistenza valori cautelativi rispetto a quelli considerati "rappresentativi" = valori caratteristici STATO LIMITE DI ESERCIZIO (SLE) situazioni di ESERCIZIO della struttura oltre le quali non sono più soddisfatti alcuni requisiti di servizio o funzionalità dell'opera NO coefficienti di sicurezza vanno introdotti "valori giusti" dei parametri geotecnici 13 Stati limite ultimi e di esercizio Esempio: progetto di fondazioni SLE cedimenti Carico di esercizio non deve causare cedimenti eccessivi per sovrastruttura SLU capacità portante Carico di esercizio deve essere < carico limite con adeguato margine di sicurezza 14
Programmazione indagini INDAGINI finalizzate a: verifiche SLU ad es. capacità portante programmazione indagini per accurata determinazione parametri di resistenza al taglio del terreno verifiche SLE ad es. cedimenti programmazione indagini per accurata determinazione parametri di deformabilità del terreno 15 Scelta valori caratteristici di parametri geotecnici 16
Schema metodologico per definizione parametri geotecnici di progetto 17 Articolazione delle indagini Diversi livelli di approfondimento indagini a seconda di complessità progetto e obiettivi vedi CATEGORIE GEOTECNICHE (EC7) In generale si distinguono: 1) Indagini in fase di studio di fattibilità 2) Indagini in fase di progetto 3) Indagini in corso d'opera 4) Monitoraggio 18
Indagini in fase di studio di fattibilità Fattibilità significativa per grandi opere (infrastrutture, dighe, grandi impianti industriali...) Spesso fattori geotecnici condizionano fattibilità tecnico-economica In questa fase sufficiente caratterizzazione geotecnica di larga massima stratigrafia, identificazione principali tipi di terreni, eventuali falde idriche... Spesso non ancora fissate esatta ubicazione e caratteristiche opere estendere indagini a volume di sottosuolo >> interessato da opera 19 Indagini in fase di progetto Caratterizzazione + completa e dettagliata stratigrafia, caratteristiche fisicomeccaniche terreni... dati necessari per progetto In genere già definita soluzione e ubicazione opera in progetto estendere indagini a volume di sottosuolo + ridotto 20
Indagini in corso d'opera A volte necessarie per verifica schemi di progetto + eventuali modifiche a progetto iniziale (ad es. gallerie, scavi profondi...) 21 Monitoraggio delle opere Osservazione mediante strumentazione del comportamento delle opere, sia durante la costruzione che in esercizio (controllo, ma anche "accumulo esperienza"...) 22
Articolazione delle indagini nella pratica Tutte e 4 le fasi di indagine (in sequenza) solo per opere di grande impegno Nella maggior parte dei casi sovrapposizione o mancanza di qualche fase (ad es. indagini fattibilità indagini progetto, indagini in corso d'opera e monitoraggio assenti) Spesso per opere "normali" indagini in unica fase definite in base a informazioni già disponibili su sottosuolo, eventualmente modificate per situazioni inattese (indispensabile supervisione progettista!) 23 Estensione delle indagini VOLUME SIGNIFICATIVO = parte di sottosuolo influenzata da costruzione opera e che ne influenza in modo apprezzabile il comportamento volume di terreno da indagare Dipende da tipo e dimensioni opera, carichi applicati, costituzione del sottosuolo 24
Volume significativo FONDAZIONI Per fondazioni: volume entro il quale incremento di tensione σ v dovuto a carico fondazione supera una certa frazione di tensione geostatica preesistente in genere σ v = 10-20%σ' v0 25 Estensione volume da indagare FONDAZIONI 26 Lancellotta e Calavera (1999) Fondazioni, McGraw-Hill
Estensione volume da indagare SCAVI e OPERE DI SOSTEGNO Lancellotta e Calavera (1999) Fondazioni, McGraw-Hill 27 Estensione volume da indagare RILEVATI e ARGINI Lancellotta e Calavera (1999) Fondazioni, McGraw-Hill 28
Estensione volume da indagare Profondità indicative Vanno aumentate per terreni molto eterogenei o strati profondi di terreni di caratteristiche scadenti Possono essere ridotte, ad es. se si incontra substrato roccioso 29 Numero punti di indagine (esempio) 30 Viggiani (1999) Fondazioni, Hevelius
Programmazione indagini per interventi su esistente Per interventi su costruzioni esistenti indagini devono comprendere anche rilievo fondazioni Verifiche SLU essenziali per: Valutazione margini di sicurezza dell'esistente Nuova risposta sismica della struttura dopo adeguamenti strutturali Verifiche SLE importanti soprattutto in caso di variazioni significative dei carichi 31 Sondaggi attraverso fondazioni esistenti tipologia/geometria fondazioni, quota piano di imposta, terreno di fondazione Palazzo Camponeschi (L'Aquila) 32
Scavi di ispezione fondazioni esistenti Condominio Via Campomizzi (L'Aquila) 33 Indagini integrative per RSL Vanno inquadrate nell'ambito di un piano di indagini "tradizionali", condizionato da: Tipologia strutturale Stati limite da esaminare Caratteristiche del sottosuolo Qualche indagine in sito e qualche prova di laboratorio "tradizionale" si deve eseguire indipendentemente da quelle per gli studi di Risposta Sismica Locale 34
Ruoli e responsabilità SOGGETTI COINVOLTI NELLE INDAGINI GEOTECNICHE Progettista Geologo Impresa specializzata in indagini geotecniche Laboratorio geotecnico 35 Responsabilità del Progettista Progettista elaborazione programma indagini, supervisione durante esecuzione indagini, interpretazione risultati (direttamente o tramite consulente specialista) DA EVITARE: spesso fase di indagine (da programmazione a interpretazione) affidata a professionisti estranei a PROGETTO può risultarne caratterizzazione geotecnica inadeguata Comunque progettista fa propria caratterizzazione geotecnica su cui basa calcoli e se ne assume responsabilità!!! (meglio controllare...) 36
Responsabilità del Geologo Geologo RELAZIONE GEOLOGICA strutture del sottosuolo, descrizione tipi litologici, genesi e relativi rapporti... "utile elemento di riferimento per il progettista per inquadrare i problemi geotecnici e per definire il programma delle indagini geotecniche" (NTC 2008, 6.2.1) Relazione Geologica geologo Relazione Geotecnica progettista 37 Responsabilità dell'impresa e del Laboratorio Impresa specializzata in indagini geotecniche esecuzione sondaggi + prelievo campioni, prove in sito, installazione strumenti di misura... Laboratorio geotecnico prove su campioni di terreno Ruolo Impresa e Laboratorio importantissimo: qualità indagini e caratterizzazione geotecnica dipendono da scrupolosità, competenza... certificazione di qualità, procedure standard... 38
In sintesi: Analisi basate su MODELLI GEOTECNICI Modelli geotecnici dedotti da specifiche INDAGINI e PROVE Indagini e prove definite dal PROGETTISTA in funzione di scelte tipologiche e modalità esecutive dell'opera RELAZIONE GEOTECNICA Scelte progettuali, programma e risultati indagini, caratterizzazione e modellazione geotecnica, calcoli per dimensionamento geotecnico opere, descrizione fasi e modalità costruttive 39 Tipologie di indagini geotecniche INDAGINI IN SITO PROVE DI LABORATORIO su campioni di terreno prelevati in sito L. Tonni 40
Indagini geotecniche in sito SONDAGGI PROVE GEOTECNICHE IN SITO con tecniche "tradizionali" PROVE GEOFISICHE PER MISURE SISMICHE IN SITO F. Santucci de Magistris 41 Sondaggi "geotecnici" OBIETTIVI Ricostruzione stratigrafia del sottosuolo mediante esame del carotaggio continuo* Prelievo campioni (indisturbati in terreni a grana fine, rimaneggiati in terreni a grana grossa) prove di laboratorio Installazione strumentazione (ad es. piezometri) Esecuzione prove in foro di tipo tradizionale (SPT) e di tipo geofisico (ad es. Down-Hole) * Perforazione a distruzione ammessa solo per installare strumenti o raggiungere quote prelievo campioni 42
Sondaggi Esempio di risultati L'Aquila Pettino sondaggio S1 (60 m) 43 Prove geotecniche in sito Standard Penetration Test (SPT) Prove penetrometriche a punta conica "tradizionali" (CPT/CPTU) + "sismiche" (SCPT) L. Tonni Prove dilatometriche "tradizionali" (DMT) + "sismiche" (SDMT) P. Monaco Prove pressiometriche (PMT) Vane Test (VT) PARAMETRI GEOTECNICI necessari per la progettazione (ϕ', c u, E...) 44
Prove geotecniche in sito 45 Standard Penetration Test (SPT) 46 ASTM D1586-99 Standard Test Method for Penetration Test and Split-Barrel Sampling of Soils
Standard Penetration Test (SPT) Esempio di risultati 47 Standard Penetration Test (SPT) SOLO in terreni a grana grossa (SABBIE e GHIAIE) Inattendibile in argille e limi (penetrazione dinamica) Prova in foro di sondaggio discontinua (ad es. ogni 1.5-3 m) Campioni rimaneggiati da campionatore SPT (ad es. granulometria) Si misura N SPT (colpi/30 cm) Correlazioni empiriche per ricavare D R, ϕ', (E')... V S (Site specific? Usare con cautela!) Metodi "diretti" (cedimenti, liquefazione ) 48
Cone Penetration Test (CPT-CPTU) ASTM D3441-98 Standard Test Method for Mechanical Cone Penetration Tests of Soil 49 Cone Penetration Test (CPT-CPTU) Esempio di risultati 50
Cone Penetration Test (CPT-CPTU) In ARGILLE, LIMI e SABBIE (no ghiaie) Penetrazione statica (velocità 2 cm/s) Prova continua Non richiede foro di sondaggio Non fornisce campioni Si misurano:resistenza alla punta q c (kpa) attrito laterale f S (kpa) pressione neutra u (kpa) CPTU Correlazioni empiriche per ricavare D R, ϕ', (E')... (sabbie) c u, (E ed )... (argille e limi) 51 Prova dilatometrica (DMT) ASTM D6635-01 Standard Test Method for Performing the Flat Plate Dilatometer 52
Prova dilatometrica (DMT) Esempio di risultati INDICE DI MATERIALE MODULO EDOMETRICO RES. TAGLIO NON DRENATA INDICE SPINTA ORIZZONTALE ARGILLA LIMO SABBIA 53 Prova dilatometrica (DMT) In ARGILLE, LIMI e SABBIE (no ghiaie) Penetrazione statica (velocità 2 cm/s) con stessa attrezzatura di spinta CPT Prova continua Non richiede foro di sondaggio Non fornisce campioni Si misurano 2 valori di pressione orizzontale contro membrana p 0 & p 1 (kpa) Correlazioni empiriche per ricavare E ed,(d R ), (ϕ')... (sabbie) c u, E ed... (argille e limi) 54
Prova scissometrica (Vane Test) 55 Prova scissometrica (Vane Test) SOLO in terreni a grana fine (ARGILLE tenere) Prova in foro di sondaggio discontinua (ad es. ogni 1.5-3 m) No campioni Si misura momento torcente a rottura Misura diretta di c u in sito 56
Prova pressiometrica 57 Prova pressiometrica In tutti i terreni Espansione di elemento cilindrico (PRESSIOMETRO) in foro di sondaggio Prova in foro di sondaggio discontinua (ad es. ogni 1.5-3 m) Esiste versione autoperforante No campioni Prova molto sofisticata e costosa Interpretazione razionale (modelli teorici) parametri di resistenza, compressibilità, stato tensionale iniziale 58