Geologia applicata

Geologia applicata

Daniel Cucugliato

GRANDI OPERE GRANDI OPERE GRANDI OPERE 1

Sommario

• Indagini geognostiche e perforazioni.........................................................3
• PERFORAZIONE.......................................................................................3
• Sistema a percussione.........................................................................4
• Sistema a rotazione.............................................................................5
• Parametri da descrivere nel report di cantiere..................................10
• Sistema a rotopercussione.................................................................16
• CAMPIONATORI E DESCRIZIONE DELLA QUALITÀ DEL CAMPIONE........17
• IDROGEOLOGIA........................................................................................19
• Bilancio idrologico 19/10/2021..............................................................21
• Calcolo del bilancio idrologico............................................................26
• Tipi di acqua..........................................................................................27
• Acquifero...............................................................................................29
• Funzione capacitiva...........................................................................32
• Funzione conduttiva...........................................................................36
• Sorgente............................................................................................42
• Opere di presa...................................................................................45
• CARATTERIZZAZIONE DEI TERRENI CON PROVE DI LABORATORIO..........54
• Limiti di Atterberg.................................................................................57
• PROVA PROCTOR O PROVA DI COSTIPAMENTO DEI TERRENI O AASHTO..............................................................................................................58
• PROVA EDOMETRICA.............................................................................59
• PROVE DI RESISTENZA AL TAGLIO........................................................60
• Prova di taglio diretto o scatola di Casagrande.................................61
• Prova triassiale..................................................................................61
• FONDAZIONI.............................................................................................63
• PROVE IN SITU..........................................................................................67
• Prove penetrometriche.........................................................................68
• Prove statiche....................................................................................69
• Prove dinamiche................................................................................70
• Prova scissometrica (Vane test)............................................................71
• Prova di densità in situ con la sabbia calibrata.....................................71
• Prova di carico su piastra......................................................................71

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• GRANDI OPERE.........................................................................................73
• Ferrovie e aeroporti...............................................................................73
• Strade...................................................................................................74
• Strade in aree montuose...................................................................77
• Viadotti..............................................................................................79
• Gallerie..................................................................................................80
• Mezzi di scavo....................................................................................83
• Dighe.....................................................................................................88
• Dighe di materiali sciolti/in terra/deformabili....................................92

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La geologia applicata ha delle applicazioni soprattutto nel campo ingegneristico ma anche sull’ambiente (inquinamento e bonifiche).

Indagini geognostiche e perforazioni

Le indagini geognostiche hanno come finalità la caratterizzazione del sottosuolo e vengono distinte in dirette ed indirette.

Indagini dirette

Le perforazioni sono con l’obiettivo di realizzare una perforazione a distruzione di nucleo o carotaggio continuo. Vengono definite dirette perché appunto in maniera diretta vanno ad esplorare il sottosuolo. Indagini dirette sono le perforazioni e le prove in situ.

Indagini indirette

Le sono, ad esempio, le indagini geofisiche, con le quali si misura una caratteristica fisica, successivamente attraverso l’elaborazione di questa caratteristica si risale al sottosuolo. Otterremo diversi strati di resistività (aree con comportamenti diversi)

Differenza diretto ed indiretto

• Con l’indagine diretta si tocca effettivamente con mano il sottosuolo, o meglio svolgendo la perforazione, ad esempio, si vede cosa si attraversa, quindi, si vede FISICAMENTE la successione litostratigrafica attraversata.
• Con l’indagine indiretta si ottengono dei dati di altra natura, attraverso l’elaborazione di quei dato successivamente si ricostruisce il sottosuolo, dunque è diverso.

Quando faccio un sondaggio di perforazione occorre ragionare sulla scala del lavoro che si deve svolgere. Ma analogamente per quanto riguarda l’indagine indiretta. Questo perché se parliamo di un’area di studio enorme chiaramente non basta una sola perforazione e non basta neanche la sola visione della carta geologica perché queste vengono prodotte su scale piuttosto grandi vale a dire 1:5000, mentre carte topografiche parliamo di 1:25000 e oltre, pertanto adattarle non è semplicissimo.

Perforazione

Sondaggio geognostico: perforazione a rotazione e a carotaggio continuo con l’obiettivo di ricostruire la successione litostratigrafica.

Distruzione di nucleo: serve solo la perforazione, necessario ad esempio nella realizzazione di pozzi per acqua, oppure per inserire delle attrezzature durante la perforazione (piezometri: tubi che permettono di misurare il livello della falda; inclinometri: verticalità del suolo, entrambi rientrano nel monitoraggio).

Strumento: serve a misurare/ attrezzatura: elemento(tubo), mi permetterà poi di misurare

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Esistono tre sistemi per la realizzazione di perforazioni con finalità e obiettivi diversi:

• Percussione: ci consente di fare solamente distruzione di nucleo.
• Rotazione: è il sistema del sondaggio geognostico ma ti permette anche la distruzione di nucleo.
• Rotopercussione: è solo a distruzione.

Sistema a percussione

L’attrezzatura è costituita da un traliccio (capra/derrick), questo contiene un argano (sale e scende), una carrucola e una fune metallica, alla cui estremità c’è un utensile di scavo che col movimento a percussione disgrega la roccia. Nel realizzare queste perforazioni si distrugge la roccia, il detrito di perforazione (cutting) ci permette in grandi linee di avere un’idea della successione che stiamo attraversando. Attraverso il cutting si va a ricostruire una stratigrafia di pozzo e viene depositata nella relazione.

• Sistema a cavo o pensilvano: ha sia carrucola che fune etc. ha la sonda/cucchiaia/curetta che viene fatta battere sul terreno lasciandolo cadere da una certa altezza, esso disgrega il terreno, ma essendo cavo, nello stesso tempo il materiale disgregato entra nell’utensile fino al riempimento, dopodiché si estrae l’utensile e si svuota il cutting accumulato. Alla risalita si chiude una sorta di valvola che impedisce al detrito di precipitare. Mediamente il diametro va dai 400-600 mm, ma si possono raggiungere anche diametri di un metro, fino ad un massimo di 1200 mm. La profondità massima è intorno a 120-150 m.
• Rivestimento provvisorio: tubi metallici di lunghezza variabile da 1 a 3 metri, con filettatura, ogni tubo è costituito da un filetto maschio e uno femmina. I tubi di rivestimento provvisori si immettono man mano che si procede con la perforazione per evitare la caduta delle pareti. Nelle terre il rivestimento provvisorio ci vuole sempre. La tensione che c’è nelle rocce tende a farle restringere, più che altro laddove si ha a che fare con rocce fratturate (dovute ad esempio alla tettonica).

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• Ad aste o canadese: qui l’utensile piuttosto che essere agganciato alla fune è agganciato a delle aste di perforazione, ovvero dei cilindri metallici cavi all’interno, lunghi circa 1.5 m e con diametro di 101 mm, peso 29kg. È cavo perché deve passare l’acqua all’interno, o comunque fluido di perforazione. Inoltre, ha il filetto che consente il prolungamento della perforazione.

Il sistema a percussione può realizzare i diametri più grandi.

La scelta del metodo e della macchina da utilizzare è influenzata anche dalle litologie che si devono perforare. Per quanto riguarda il metodo a percussione viene generalmente usato per perforare alluvioni, ad esempio, ma in generale su terre sciolte (prive di coesione), o ancora per terreni pseudo-coesivi (sono quei terreni che possono avere a determinate condizione una certa coesione, seppur bassa, ad esempio le argille, sabbie e ghiaie non hanno coesione). Altri utensili sono le benne o gli scalpelli. La benna è un utensile di scavo che si apre e si chiude, tipo pinza, quindi, si utilizza per scavare ma anche per recuperare il cutting. In terreni compatti si utilizzano gli scalpelli.

Roccia: aggregato di minerali o di granuli dotato di coesione, a contatto prolungato con l’acqua non si perde la coesione

Rocce tenere: resistenza alla compressione inferiore a 25 MPa. La maggior parte delle rocce tenere si trova nel sedimentario, tuttavia, possono appartenere a questo gruppo rocce metamorfiche di basso grado. L’arcose, ad esempio, è una roccia tenera perché possiede le miche. La calcarenite per eccellenza è una roccia tenera, perché è costituita dall’accumulo di gusci di organismi che non sono cementati o hanno una cementazione parziale. Calcari fangosostenuti o non totalmente cementati.

Riassunto: il principio del sistema a percussione è quello di far cadere, da una certa altezza, un utensile da scavo andando a disgregare la roccia; il materiale disgregato, se utilizziamo una cucchiaia, una benna o la curetta questo può venire asportato. In definitiva questo tipo di perforazione viene utilizzato per rocce tenere, prive di coesione o pseudocoesive.

Sistema a rotazione

Il sistema a rotazione è un sistema che permette sia il carotaggio continuo che la distruzione di nucleo.

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Durante il carotaggio si può decidere di prelevare dei campioni indisturbati. Un campione indisturbato è un campione che mantiene inalterate le caratteristiche fisico meccaniche, queste caratteristiche una volta alterate non rendono più il campione idoneo per alcune tipologie di prova, per cui non si porta in laboratorio.

Durante la rotazione la presenza dei fluidi di perforazione può indurre l’alterazione di queste caratteristiche, il fluido dilava la roccia, quindi altera tali proprietà. In altri tipi di roccia la rotazione stessa può indurre uno spostamento dei granuli determinando una modifica nelle caratteristiche fisico-meccaniche, per evitare ciò si useranno dei campionatori.

Il sistema a rotazione prevede due tipologie di circolazione del fluido: diretta ed indiretta/inversa.

• Per fare un sondaggio geognostico si svolgono perforazioni che mediamente arrivano ai 20-30 m, raramente 50-100m, ed in questi casi il sistema di circolazione è diretto. Diretto significa che il liquido si inserisce, a partire dalla testa di perforazione, direttamente nell’asta di perforazione (che è cava all’interno), arriva all’utensile, lo raffredda e dopodiché fuoriesce e risale dall’intercapedine che c’è tra l’asta di perforazione e la parete del foro.
• La circolazione indiretta/inversa si usa per perforazioni molto profonde (scopo petrolifero e/o pozzi per acqua molto profondi, più di 100m). Il fluido entra nell’intercapedine asta-foro, arriva all’utensile, e dopodiché risale dalle aste di perforazione esattamente al contrario rispetto la precedente (ecco perché si chiama inversa). Si fa in questa maniera per dare una spinta verso l’alto al carotaggio stesso e facilitare la risalita delle aste, in quanto si tratta di perforazioni molto profonde.

In entrambi i casi il fluido è a contatto con la roccia che si sta perforando.

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Programmazione di una perforazione

Programmazione di una perforazione: prima di procedere al posizionamento della macchina per fare il sondaggio, in zone urbane, ci si deve assicurare che la perforazione non vada ad intercettare i sottoservizi, quali la tubazione dell’acqua, del gas, tubi elettrici, fibra ottica etc. Questi sottoservizi si estendono generalmente dal piano campagna sino a 1 m di profondità. In teoria si dovrebbe avere una mappa del comune per osservare dove sono ubicati questi sottoservizi, ma si possono utilizzare degli strumenti geofisici in grado di intercettarli. Individuata l’area di perforazione occorre prendere le esatte coordinate del sondaggio (che verranno poi inserite nel report di cantiere). Se non si utilizzano strumenti geofisici si può scavare un pozzetto manualmente e verificare se c’è qualcosa in prossimità dell’area di sondaggio.

Le macchine di perforazione a rotazione hanno dimensioni che dipendono comunque dalla profondità di indagine. Si utilizzano delle piccole macchine per perforazione sino a 20m. Per perforazioni più profonde si usano macchine più potenti, ovvero: c’è una testa di rotazione nella parte alta del traliccio. La parte in cui avviene la rotazione prende il nome di mandrino su cui verrà agganciata la testa rotante, poi grazie una filettatura è possibile attaccare le aste di perforazione. Alcune di queste possono svolgere anche delle perforazioni suborizzontali, questo dipende dalla capacità di movimento della macchina. La perforazione avviene tramite il movimento di rotazione e tramite la spinta della macchina (tutto ciò avviene nella testa, c’è un circuito idraulico di olii a pressione che esercitano queste spinte). La parte bassa del carrello è dotata di pinze che vengono chiuse e aperte a seconda del momento della perforazione. Appena si sta eseguendo la perforazione vengono chiuse in modo che le aste non vadano fuori durante la perforazione; laddove, invece, devo sollevare tutte le aste per svuotare il carotiere si aprono le pinze.

I diametri vanno dai 400-500 mm, nel caso di perforazioni a distruzione di nucleo per pozzi per acqua, la profondità può arrivare ai 100 m. Mentre per sondaggi geognostici il diametro più utilizzato è 101 mm, e 30-50 m di profondità. In generale, le profondità sono variabili.

Utensili di scavo

Gli utensili di scavo per il carotaggio continuo si chiamano corone:

• Corone a inserti di Widia (carburo di tungsteno, circa 600euro)
• Corone diamantate: si usano in rocce dotate di elevata coesione in quanto le corone diamantate sono più resistenti nei confronti dell’attrito.

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Carotieri

Un carotiere è un cilindro in acciaio zincato lungo 1.5 m (ci sono anche quelli di 3 m), cavo all’interno, all’estremità il carotiere viene agganciato tramite raccordo alle aste di perforazione, mentre all’estremità inferiore viene agganciato tramite filettatura al portaestrattore. Ci sono due tipi di carotieri: il carotiere semplice e il carotiere doppio.

• Il carotiere semplice è costituito da un unico tubo di acciaio di diametro compreso tra 66 e 146 (solitamente 101), munito della corona tagliente a una estremità. Il fluido dalle aste di perforazione entra dentro il carotiere e viene a contatto con la roccia che man mano entra dentro.
• Il carotiere doppio è fatto da due cilindri coassiali (uno dentro l’altro), esternamente è come quello semplice, ma all’interno c’è un altro cilindro che è fisso (la parte esterna ruota e fresa), la parte interna serve invece a far inserire la carota. Il carotiere doppio si utilizza perché il fluido di circolazione passa tra l’intercapedine tra il cilindro interno e quello esterno (si dice che esce dalla scarpa). Tendenzialmente il carotiere doppio non da un campione indisturbato, perché c’è sempre la rotazione. Tuttavia, se si analizza una roccia massiva il campione può essere considerato indisturbato, perché la rotazione non altera la distribuzione dei granuli.

Parti del carotiere: cilindro, portaestrattore, estrattore, corona o cestello (per terreni sciolti).

L’estrattore è un anello in pvc che impedisce che la carota precipiti quando si tira su la carota. Quindi estrattore e portaestrattore hanno questa funzione. Il doppio carotiere lo si può utilizzare per rocce massive molto fratturate. Con il doppio carotiere la perforazione è molto più lenta rispetto a quello semplice.

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