Prove meccaniche in sito - Parte 1

Prove penetrometriche dinamiche

Le prove penetrometriche dinamiche permettono di valutare la resistenza che il terreno oppone all’infissione di un utensile. Sono maggiormente usate per terreni a grana grossa:

• Se si trovano a ghiaiarei → φ_c^S = c + σ_n tg φ^I (→ valore φ^I);
• Se si trovano a coesivo → φ_c = c_u.

SPT (Standard Penetration Test)

Un equipaggiatore da parete grossa viene infilato nel terreno a partire dal fondo di un foro di sondaggio di diametro φ = 65 ÷ 115 mm.

L’infissione avviene per battitura di un maglio, di peso W = 63.5 kg, sulla batteria di aste, l’altezza di caduta del maglio è di 0.76 m.

L’attrezzo viene infisso per 3 avanzamenti consecutivi di 15 cm ciascuno, contando i 3 valori N₁, N₂ e N₃ del numero di colpi di maglio necessari per ciascun avanzamento.

A rappresentare la resistenza alla punzonatura si assume il numero di colpi: N_SPT = N₂ + N₃.

N.B. N₁ viene scartato perché ci hanno distrutto a fondo foro.

La prova viene eseguita al fondo di un foro spinto alla profondità desiderata e può quindi essere eseguita nel corso di un sondaggio oppure, con maggiore frequenza, in un foro appositamente trivellato (la trivellazione deve essere eseguita in modo da disturbare il meno possibile l’assetto del terreno sottoposto a fondo foro).

Al termine di ciascuna prova il campionatore viene riempito di un quarchete per consentire l’appociriamento del foro e per recuperare il campione, deve ricerci di stange Q₃.

I vantaggi di questa prova sono:

• Si possono eseguire in qualsiasi tipo di terreno;
• Permette un riconoscimento diretto dei terreni;
• Consente di esplorare la stratificazione più profonda.

Prove penetrometriche dinamiche

Le prove penetrometriche dinamiche permettono di valutare la resistenza che il terreno oppone all'infissione di un utensile. Sono maggiormente usate per terreni a grana grossa:

• Se il terreno è granulare ⇒ ρ_f = c t⁻¹ ⋿ φ⁻¹ (⇒ valuto φ');
• Se il terreno è coesivo ⇒ ρ_f = c_u.

SPT (Standard Penetration Test)

Un assorbitore a parete grossa viene infisso nel terreno a partire dal fondo di un foro di sondaggio di diametro φ = 65 ÷ 115 mm. L'infissione avviene per battitura di un maglio, di peso W = 63,5 kg, sulla battitura di aste; l'altezza di caduta del maglio è di 0,76 m.

L'attrezzo viene infisso per 3 avanzamenti consecutivi di 15 cm ciascuno, contando i 3 valori N₁, N₂ e N₃ del numero di colpi di maglio necessari per ciascun avanzamento. A rappresentare la resistenza alla penetrazione si assume il numero di colpi: N_SPT = N₂ ↔ N₃.

N.B. N₁ viene scartato perché l'anno distrutto a fondo foro.

La prova viene eseguita al fondo di un foro spinto alla profondità desiderata e può quindi essere eseguita nel corso di un sondaggio oppure, con maggiore frequenza, in un foro appositamente trivellato (la trivellazione deve essere eseguita in modo da disturbare il meno possibile l'assetto del terreno sottoposto a fondo foro).

Al termine di ciascuna prova si può provvedere, con apposito attrezzo, al recupero dei campioni, cioè sciolta di ciascun Q₂.

I vantaggi di questa prova sono:

• È possibile eseguirla in qualunque tipo di terreno;
• Permette un riconoscimento diretto dei terreni;
• Consente di esplorare le stratificazioni più profonde.

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Gli svantaggi sono:

• Costi elevati;
• Misure discontinue;
• P.f. devono essere riportati allo stato naturale rispetto se questi sono alterati;
• Le ter pi fa a partire da profonditá min 1,5 m.

Terreni granulari

Solo nei terreni granulari in cui non n la coerenza si riescono a determinare informazioni sulla resistenza a taglio in 2 modi:

• L’‘impegno delle resistenze è espresso attraverso il criterio di Mohr - Coulomb ^{r= tg}.

n è però difficile da valutare in quanto ricavare al penetrometro n ha una superficie esu equivalente. Si diminuisce quindi wrclye la ric ha • ovviare questo problema, n’ sostituisce σv con σv’, ossia la tensione efficace alla profondità di prova:

N_spr = f (G_v, ^r) o diagramma di BE KELLO.

• Φ’ dipensione dello stato di addEinamento e dello stato di confinamento.

Φ’ = f (D_r, σv’). Nota D_r parla N_spr = f (G_v, D_P). GIBBS e HOLTZ (β>D_r sovrstimato in depositi soddenmoti).

BAZARAA (da profilo di spunto e parechteritra per depositi addensati).

σ SKEMPTON, KULHAWY e MAYNE, BRIANOVSKI e ISHIHARA, ossia relazioni empiriche.

Formula di Kulhawy e Mayne

La formula di Kulhawy e Mayne: dove N₁ = ( ), N_SPT è il numero di colpi normalizzato e p_a = 100 kPa (pressione atmosferica).

Formula di Skempton

La formula di Skempton: dove (N₁)₆₀ = (ER/60) (C_n N_SPT) con C_n = , sabbie fine, sabbie grosse, e per ER = 60.

Coefficiente di profondità

La formula di Cubrinovski e Ishihara: dove (N₁)₇₈ = [] N_SPT e C_d = g / (e_max - e_min)^1.4 con e_max - e_min = 0.23 + 0.06/D₅₀.

N.B. D₅₀ è la dimensione media dei granuli, diametro del 50% di materiale passante.

Correlazioni per φ'

Posso ricavare φ':   φ' = f(D_r, ....).

SCHERTMANN

φ'₁ = 28 + 0,1D_r(γ_t)

φ'₂ = 34,5 + 0,15D_r(γ_t)

φ'₃ = 34,5 + 0,1D_r(γ_t)

φ'₄ = 38 + 0,08D_r(γ_t)

API

φ' = 28,4 + 0,17ΔP_c + 16D_r²   (più cautelativa).

BOLTON

φ'₁ - φ'_cv = 3   [D_r (10 - ln p'₁) - 1].

Con x aumento D_r aumento φ' se aumento p'₁ diminuisce φ' (pressione media effettiva e rotativa) → normalmente si usa la più cautelativa formulario τ = φ quando gradi di plasticità sono bassi.

N.B.: Nella formula compare 3 perché non è stata indicata una caso di simmetria assiale.

φ'_cv è tabellato su funzione di valori tipici ottenuti a V = cost per lo stato critico.

Se D_r è costante con la profondità ci si deve aspettare un profilo su cui φ'₁ decrescono con z e tendano a φ'_cv.

φ'_cv φ'₁

Si riduce la DIFATTANZA.

Granulometria

φ'_cv

• Sabbie quarzose     30 → 33
• Sabbie silicie      33 → 36
• Ghiaie        35 → 37

Osservazioni sui coefficienti delle formule di letteratura

Per ottenere una stima diretta di N_s, i valori di N_SPT devono essere corretti e riferiti ad una stessa tensione di riferimento. Si usa la tensione verticale di 100 kPa:

N_s = C_N N_SPT

Dove N_s è la resistenza penetrometrica corretta per la tensione di confinamento.

Diverse configurazioni del sistema macchina/ante rilasciano al campionatore standard diverse quantità di energia e forniscono diversi valori di resistenza alla penetrazione (N_SPT); al minimo N_SPT, però, deve essere riferito ad uno stesso valore dell'energia rilasciata dal sistema. Va quindi effettuata una correzione rispetto ad un'energia di riferimento:

E₆₀ = 60% E_tea

Ossia il 60% dell'energia di caduta libera del maglio dello SPT (E_tea = m*g*h = 63,5*9,81*0,76 ≈ 473,43 J).

La resistenza penetrometrica standard equivalente a E₆₀ è:

N₆₀ = N_SPT * E_mis/E₆₀ = N_SPT * E_mis/(0,6*E_tea) = N_SPT * ER₆₀

Dove ER = E_mis/E_tea (1) rapporto energetico.

NB: in Italia, per le apparecchiature standard, ER ≈ 60 ≈ 1.

La resistenza penetrometrica corretta non per la tensione di confinamento ma per l'energia rilasciata è (N₆₀); si ha già un'idea dei valori di N_SPT in funzione dello stato di addensamento:

Stato di addensamento

• Sciolto 0-4
• Poco addensato 4-10
• Mediamente addensato 10-30
• Addensato 30-50
• Molto addensato >50

NB: φ' = f(z) ⇒ Varia con la profondità del melo e non dati un valore unico.

Le note per altri coefficienti correttivi:

• C_F = ER¹⁰⁰/60 - rendimento energetico → ≃ 1
• C_B = Foro di sondaggio → 1,0 ÷ 2,15
• C_L = Lunghezza asta → 0,75 ÷ 1,0
• C_S = Attrezzo campionatore → 1,0 ÷ 1,3

Viene necessario da valutare le caratteristiche di rigidezza ma le prove penetrometriche sono poco adatte per tali tariche in quanto sono prove a grandi deformazioni che portano il terreno in condizioni di rottura:

Stiamo lavorando in questa zona.

Rottura: se releboriamo in questa zona quando si sta lavorando in un’altra zona.

Vi sono relazioni empiriche tra N_spt e i moduli di rigidezza che però poco affidabili e devono essere usate con grande cautela:

E’ = S₂E’ N_spt S₁

Dove S₁ e S₂ dipendono dal tipo di terreno ed E’ è il modulo di Young.

E’/N₆₀ = 1 STROUD con q/q_u = 1/3 → coeff. sicurezza ≃ 3.

I moduli di rigidezza sono valutabili meglio in altre prove in sito come le prove di carico con piastra, penetrometrica e geo fisica.

Altre formule empiriche sono:

G₀ = ρV²_S

Dove V_S = √gα N_spt IN₁ (α dipende dal terreno e dal v₁ e γ).

GQ.3 - X.B1.N^0,1sp.z^0,2 OHTA e GOTO (γ. = f(eta), β = f(riverre).

Terreni coesivi

In questo caso le prove penetrometriche sono poco attendibili. Sono in condizioni di non drenate e ci vuole determinare Cu e Eu, in una sola una forma di prima approssimazione.

Si hanno 2 disturbi:

• Disturbo prodotto a fondo foro dalla perforazione e dal lavaggio del foro prima dell'estrazione della prova.
• Disturbo ridotto dall'azione dinamica.

Possiamo riportare i dati che si ottengono con Terzaghi e Peck:

Questa tabella mi permette di valutare lo stato di consistenza in funzione del numero dei colpi. Si chiamano anche delle formule di letteratura per Cu:

Stroud

C_u = 4,5 N₆₀ (kPa)

Valida per le argille sovraconsolidate ed è un limite inferiore.

Kulhawy e Mayne

C_u / p_a = 0,00 N₆₀

E per il modulo non drenato Eu:

Stroud

E_u / N₆₀ = 1 ÷ 2, per 9/qu > 0.2 (in coeff ≤ 5); 5 ÷ 10, per 9/qu < 0.1 (in coeff > 10).

Per quanto riguarda la rigidezza a basse deformazioni:

SCHNAID: G₀ = ^{1200 \sqrt{N_{60c' \sigmavo' / pa}}}} limite superiore (terreni cementati).

^{450 \sqrt{N_{60c' \sigmavo' / pa}}}} limite inferiore (terreni cementati).

SCPT (Standard Cone Penetration Test)

Questo penetrometro è costituito da una punta conica con apertura di 60° e D = 50,8 mm, infilata nel terreno tramite una colonna di aste protetta da una tubazione di rivestimento. Non è necessaria l’esecuzione del foro ma la prova è eseguita continua a livello del p.c.

Non è più necessario scartare N_s in quanto non vi hanno più disturbi legati al foro. Si conta il numero di colpi necessari all’abbassamento di 300 mm (N₃₀). I tubi di rivestimento vengono estratti del terreno sulla batteria di aste.

N_60^c ≃ 2 N_spt MEYERFORT.

Poi si possono usare le solite formule empiriche. Queste prove sono oggi poco utilizzate.

Prove penetrometriche statiche

Le prove penetrometriche statiche sono usate in terreni granulari e su terreni a grana fine debolmente a moderatamente resistenti.

Tale prova consiste essenzialmente nella misura della resistenza alla penetrazione nel terreno di una punta sferica standardizzata con apertura di 60° che viene infilata nel terreno a partire dal p.c. con un martinetto meccanico o idraulico a velocità costante pari a 20 mm/s.

La punta conica ha un diametro D = 35,7 mm e una sezione trasversale di area A = 10 cm².

Apparecchiatura

Cono meccanico: La forza necessaria per l'infissione del cono punta viene misurata da manometri montati sul p.c. e collegati alla batteria di spinta.

Cono elettrico: La resistenza della punta è misurata con trasduttori installati nel manicotto ed eventualmente anche le resistenze laterali del manicotto.

Piezocono: Oltre alla resistenza della punta (qc) e quella del manicotto (fs), viene misurata la pressione neutrale e possibili misurazioni a movimento.

Nota bene: Sia la resistenza della punta (qc) che la resistenza laterale del manicotto (fs) sono unitarie:

qc = Q_L / A_punta (lato: cm²)

fs = Q_L / A_L (150-200)

Il martinetto idraulico, installato al p.c., è collegato a una attrezzatura che fornisce la reazione vincolare necessaria per il rifiamento.

Per l'esecuzione delle prove a terra, la reazione vincolante per il rifiamento è fornita dal peso dell'apparecchiatura e di un mezzo di cantiere (≈ 200 kN).

Per l’esecuzione delle prove in acqua, profonda o superficiale, si possono usare navi opportunamente equipaggiate.

Si raggiungono profondità max di prova ≤ 40 m in apilee terre.

Si hanno possibili deviazioni dalla verticale per profondità già > 15 ÷ 20 m.

CPT (Cone Penetration Test)

Nel penetramento meccanico la solomua di aste che fa avanzare la punta è protetta da una tubazione di rivestimento avente diametro esterno uguale a quello della punta (35.7 mm in modo tale che l'area della sezione sia ocuci).

Nell'ordine:

• Si infigge la punta per 40 mm, spingendo solo sulle aste interne qc.
• Si infigge punta e manicotto per 40 mm, spingendo sia sulle aste interne che sulle aste di tubazione.
• Si infigge il manicotto per 40 mm, spingendo solo sulle aste interne → fs.
• Si esegue un approfondimento di 80 mm e si ripetono alle p.h (4).
• Si ripete la procedura ogni 200 mm.