Opere geotecniche (Fondazioni)

Vantaggio del CPT rispetto al SPT

Il CPT presenta un significativo vantaggio rispetto al SPT: non è necessario effettuare un foro di sondaggio perché l'apparecchiatura è autoperforante. Il profilo mostra vari valori. In rosso a sinistra, si trova la Tip Resistance, ovvero la forza divisa per la superficie, quindi la pressione che si scarica sulla punta dello strumento mentre avanza.

Analisi dei diagrammi

Alle varie profondità, si registra la pressione sulla punta dello strumento. Il secondo valore è lo sforzo tangenziale sul manicotto, quindi la forza registrata dalla cella di carico a tergo del manicotto. Il terzo valore riguarda una prova CPTU, dotata di uno strumento per misurare le pressioni neutre, registrando le pressioni dell'acqua man mano che lo strumento avanza nel terreno. Il Friction ratio è il rapporto tra la resistenza laterale, ovvero lo sleeve friction fs, e la resistenza alla punta qr fatta profondità per profondità.

La resistenza alla punta è espressa in MPa, quindi molto maggiore della laterale che è espressa in kPa. Il rapporto è espresso in termini percentuali. La resistenza laterale è molto più bassa della resistenza alla punta. Come leggiamo questi diagrammi? Prendiamo il primo. Spesso i diagrammi hanno un andamento alternato, molto sussultorio e i valori assumono resistenze alla punta dell'ordine di svariati MPa. In un'altra zona, le resistenze sono decisamente più basse, dell'ordine di unità di MPa, e vediamo anche un andamento molto più regolare con pochi picchi.

Tipologie di terreno

Questi due andamenti sono tipici di terreni diversi. Una delle due categorie è un terreno a grana grossa, l'altra è un terreno a grana fine. Nella parte superiore, l'andamento sussultorio è tipico di un terreno più eterogeneo nella sua composizione; la sabbia ha questa prerogativa. La punta è abbastanza piccola e la sabbia, frutto di deposizioni eterogenee, dà luogo a eterogeneità e resistenze alla punta più elevate.

Efficienza e rapidità del CPT

Se ho fatto una prova CPT (30 m in circa 1 h/1.5 h), mentre per fare un sondaggio di 30 metri occorre forse una giornata, e guardo il risultato che mi dà informazioni sulla composizione del terreno, possiamo pensare alla CPT come un sostitutivo del sondaggio, con la differenza che richiede meno tempo. Questa sostituzione è vera fino a un certo punto; può essere di integrazione al sondaggio. Noi, in funzione al tipo di opera, prevediamo un certo numero di sondaggi e possiamo sostituire alcuni sondaggi con le CPT più rapide e meno costose.

Pressioni neutre e stratigrafia del terreno

L'andamento della pressione alla punta e della resistenza laterale è abbastanza simile, mentre l'andamento delle pressioni neutre è diverso. L'incremento maggiore di pressione neutra lo registriamo nelle argille, poiché mentre le sabbie dissipano istantaneamente le sovrappressioni neutre che nascono per effetto della prova, nelle argille questa permane, infatti troviamo che le pressioni neutre sono più alte. Quindi, una valutazione della prova ci consente di ricavare l'andamento stratigrafico del terreno.

Classificazione dei terreni

Esiste una classificazione, diagrammi di Robertson. Prendo ad esempio nel Tip resistance alla profondità compresa tra 5 e 10 m e ho una resistenza alla punta di circa 3 MPa, poi vado a vedere il friction Ratio e ho circa il 2%. Vado nel grafico di Robertson, mi metto a 3 MPa e 2% e capito in un terreno di categoria 6, ovvero strato che va da limi sabbiosi a limi argillosi.

Relazione tra resistenza alla punta e Friction ratio

La suddivisione, scansione del diagramma ci consente di definire il terreno con notevole continuità. Man mano che da terreno fino vado a terreno a grana grossa, sale la resistenza alla punta e scende il Friction ratio, ovvero scende il rapporto tra resistenza laterale (aumenta) e resistenza alla punta. Questo diagramma trova riscontro anche con l'altro diagramma in cui entro con la resistenza alla punta e con il Pore pressure parameter che è il rapporto tra la sovrapressione neutra e la resistenza alla punta.

Interpretazione dei risultati

Attraverso questi diagrammi siamo anche in grado di fare una ricostruzione molto dettagliata del sottosuolo, distinguendo i diversi strati. Prendo i risultati della prova, prendo degli strati "omogenei" all'interno dei quali posso considerare i valori piuttosto costanti e poi prendo le coppie Resistenza alla punta - friction ratio o Resistenza alla punta - porewater pressure e entro nei diagrammi, posiziono i punti e ricostruisco la stratigrafia del terreno.

Altri vantaggi del CPT

Non è l'unico risultato della prova CPT. Possiamo ricavare altre grandezze. Una delle virtù della CPT rispetto alla SPT è che la prova ha un senso anche se la facciamo su terreni a grana fine, poiché il meccanismo di rottura che noi stiamo innescando in questa prova è un meccanismo complessivo di taglio che chiama in causa un certo volume di terreno. È una prova rapida, avanza a 1.2 cm/s, quindi non dà il tempo al terreno di drenare. La caratteristica di resistenza del terreno che stiamo mobilitando è una caratteristica non drenata, infatti viene tipicamente correlata alla resistenza a taglio non drenata (coesione non drenata).

Calcolo della coesione non drenata

La letteratura ci suggerisce di stimare il valore della coesione non drenata del terreno attraverso la formula Su dove compare qc che è la resistenza alla punta della CPT, sigma v zero è la tensione totale agente alla profondità di esecuzione della prova, che cambia punto per punto, e questo Nk coefficiente che varia tra 15 e 25 (di solito prendiamo 20). In maniera più raffinata, possiamo correlare la fascia 15-25 noto qc e ricaviamo la coesione non drenata prendendo la pendenza di una di queste rette.

Correlazioni e stime

Lunne e Eide hanno stimato i valori di Nk attraverso una serie di varie prove CPT in vari terreni, prelevati campioni indisturbati a varie profondità e hanno fatto un confronto tra la coesione non drenata valutata in laboratorio sul campione e la resistenza alla punta da CPT. Hanno costruito sperimentalmente questa relazione e dunque trovato per i vari terreni l'Nk. Presi Nk, li hanno riportati in funzione dell'indice di plasticità del terreno specifico. Ogni retta è riferita a un terreno con un suo indice di plasticità e hanno trovato correlazione tra Nk e l'indice di plasticità del terreno.

Uso della CPT su terreni a grana fine

Possiamo, considerando che stiamo lavorando su terreni a grana fine, fare sempre almeno un sondaggio a carotaggio continuo (poi possiamo integrare con delle prove CPT). Abbiamo preso un campione, valutato l'indice di plasticità, conosciamo Nk, prendiamo ora la prova CPT quindi il qc in funzione della profondità. Conosciamo il sigma v zero (gamma z) e possiamo stimare il valore della coesione non drenata del terreno. Questo per quanto riguarda i terreni a grana fine.

Utilizzo sui terreni a grana grossa

Se attraversiamo terreni a grana grossa, possiamo utilizzare il risultato della CPT analogamente a quanto facevamo con il risultato della prova SPT. A destra (Gibbs e Holtz), ascisse resistenza alla punta della prova CPT e tensione verticale efficace sulle ordinate. Prendo il risultato della prova e lo vado a diagrammare sulla figura; verrà un profilo che mi consente per un terreno a grana grossa di stimare la densità relativa del terreno. Nota Dr entro nel diagramma a destra e in funzione del terreno che sto attraversando trovo una stima dell'angolo d'attrito.

Limiti della CPT

La CPT è sicuramente una prova completa, mi restituisce un profilo e non un valore puntuale, fornendo un esame completo della stratigrafia, stimando inoltre le caratteristiche meccaniche del terreno. Il limite di queste prove è che non sempre si riesce a eseguirle, ovvero che alle volte non riesco a far penetrare la punta e questo avviene tipicamente se abbiamo terreni ghiaiosi, grossolani (non funziona molto in terreni particolarmente resistenti) e infatti non funziona neanche se ho argille particolarmente sovraconsolidate (coesione non drenata molto forte) che hanno subito una storia tensionale molto forte e sono quindi molto compresse, consistenza elevata. Ma dove invece è possibile, questa prova è sicuramente da favorire perché offre risultati molto buoni.

Confronto tra risultati CPT e SPT

È possibile passare (a volte conviene farlo) dai risultati CPT a risultati SPT utilizzando diagramma Fig. 3-23 dove, in funzione del diametro medio dei grani del terreno, ho il rapporto tra la resistenza qc (kPa) e la resistenza della prova SPT (come numero di colpi). Questo si usa quando ho i risultati di una prova e voglio usare dei metodi che invece si basano sui risultati dell'altra prova.

Obiettivo della modellazione geotecnica

In generale, ci ricordiamo che il nostro scopo è costruire il modello geotecnico di sottosuolo, che non è fine a sé stesso ma è funzionale alle diverse fasi progettuali dell'opera. I modelli possono essere più vaghi se parliamo di studio di fattibilità, poi i modelli devono essere via via più raffinati nelle altre fasi progettuali perché i quesiti progettuali si fanno più dettagliati.

Normativa e indagini

C'è poi la fase dei controlli in corso d'opera, dove si attuano delle indagini in situ in vari contesti, uno di questi è la verifica delle condizioni progettuali perché quando si va in corso d'opera si passa all'impresa esecutrice che si vuole tutelare e verificare che ciò che c'è in progetto è conforme alla realtà, altrimenti potrebbe realizzare opere con costi maggiori di quelli previsti. Questo è tanto più vero quando in certi casi le norme di affidamento degli appalti prevedono che l'impresa intervenga anche nella fase progettuale.

Caratteristiche normative

Quello che guida l'esecuzione delle indagini è la normativa che ci dice quali sono le caratteristiche che deve avere il modello geotecnico di sottosuolo (schematizzazione), dobbiamo attribuire dei valori caratteristici e la normativa ci dice che questi valori devono intendersi come una stima cautelativa e ponderata dei parametri, demandando al progettista la scelta di questi parametri e inoltre dice che il progettista è il responsabile del piano di indagine e della caratterizzazione geotecnica.

Categorie degli Eurocodici

Chiaramente le indagini non sono le stesse per tutti i tipi di opere, ci riferiamo alle 3 categorie degli Eurocodici. Salendo di categoria, si sale non solo di numerosità ma anche di complessità, il dettaglio delle informazioni. In alcuni casi, non possiamo accontentarci di modelli semplificati. Il livello sale in relazione al concetto di rischio; maggiore è il rischio, ovvero maggiore è l'impatto dell'opera. Il dettaglio si raggiunge sia adottando strumenti di analisi più dettagliati (modelli numerici) sia aumentando il livello delle indagini. Ci occuperemo delle opere di categoria 2.

Densità delle indagini

Altro aspetto importante è la densità delle indagini perché, una volta definito il volume, bisogna scegliere se indagarlo con 1 o n indagini. Per definire il numero minimo di indagini entra in gioco nuovamente il concetto di rischio, ovvero l'importanza dell'opera in termini di beni economici esposti e di vite umane, vulnerabilità dell'opera. Un altro aspetto essenziale che concorre alla definizione del numero di indagini è l'eterogeneità del sottosuolo; se siamo in condizioni di caoticità, bisogna spingere il dettaglio delle indagini.

Sondaggio a carotaggio continuo

Lo strumento principale per le indagini del sottosuolo è il sondaggio a carotaggio continuo, che consiste nel perforare e prelevare carote che ci consentono di fare valutazioni della composizione del terreno. Infatti, dobbiamo sempre fare almeno un sondaggio a carotaggio continuo per avere una visione diretta del terreno. I risultati vengono riportati nelle stratigrafie. Le prove SPT e CPT hanno in comune il fatto che con esse andiamo a misurare la resistenza del terreno alla penetrazione.

Lezione 6: dilatometro

Le prove penetrometriche sono quelle fatte nella maggior parte dei casi rispetto a queste altre. È associata al nome del suo inventore, la prova dilatometrica di Marchetti, ed è composta di varie componenti: c'è una centralina che serve a controllare e misurare i valori di alcune pressioni, oltre che altre grandezze. Prima di questa ci sono delle sorgenti di pressione del gas; c'è una bombola di gas che alimenta il sistema che serve a dare pressione. Poi c'è un sistema di adduzione, il gas viene portato allo strumento; è un cavo elettro-pneumatico, cioè che oltre a convogliare il gas in pressione convoglia un segnale elettrico che torna alla centralina.

Funzionamento del dilatometro

Poi c'è un sistema di aste; questo strumento è auto-perforante, un po' come la CPT, c'è un sistema di martinetti che serve a spingere lo strumento alle varie profondità. In questa batteria passa anche il cavo elettropneumatico. L'apparecchio centrale è la lama dilatometrica, la particolarità di tale strumento è che ha in sezione trasversale la forma di una lama e ciò è legato al fatto che questo strumento deve essere infisso nel terreno a pressione, facendo in modo che si abbia il minimo disturbo del terreno e si favorisca al massimo il contatto tra il terreno e questa parte centrale dello strumento dove c'è una membrana metallica di metallo sottile che viene azionata con la pressione. Vedi dimensioni dello strumento sulle slide.

Prove dilatometriche

Come funziona la prova? Immagino un asse con la pressione interna sulle x, perché il gas viene convogliato nella camera a tergo della membrana e quando si aumenta la pressione del gas nella camera, la membrana tenderà a dilatarsi verso l'esterno dove però incontrerà il terreno. Aumentando la pressione del gas della camera, a un certo punto si avrà un primo distacco della membrana che comincia a deformarsi; aumentiamo ancora la pressione del gas e quando la pressione sarà tale da aver fatto estrudere la membrana di 1.1 mm, il sistema elettrico registrerà un contatto, ovvero la centralina attraverso un segnale registra la pressione a cui si è avuto questo contatto, cioè la pressione che corrisponde all'estrusione della membrana di 1.1 mm.

Risultati della prova

I risultati della prova sono banalmente i valori delle pressioni che corrispondono al primo distacco della membrana e al secondo che sarà quando la membrana è estrusa di 1.1 mm. Dopo questo, si decresce la pressione e si porta lo strumento a un'altra profondità, si scende di 20 cm e si fa un'altra prova (il vantaggio è che lo strumento è auto-perforante). I vari valori delle grandezze, che sono la pressione iniziale e finale, vengono convertiti attraverso delle relazioni in due pressioni che potremmo dire pressioni limite: P0 è la pressione alla quale la membrana comincia a incontrare la resistenza del terreno e P1 è quella a cui la membrana si stacca significativamente, entrando nel terreno.

Utilizzo dei valori ottenuti

Cosa ci facciamo con questi valori? I fattori correttivi che vediamo nelle formule servono a tener conto della rigidezza dello strumento, cioè le grandezze misurate vengono manipolate attraverso delle costanti. Si possono ottenere da questi valori tutta una serie di parametri che sono: l'indice di spinta orizzontale Kd, il modulo dilatometrico, e l'indice di materiale. L'indice di materiale viene tipicamente interpretato con una figura del tipo asse x valori dell'indice di materiale, ordinate profondità. In rosso, giallo e verde sono indicate le classi di valori dell'indice di materiale riferite alle tipologie di materiale. Ovvero, se ho valori che rientrano nel campo verde avrò terreni sabbiosi, con indice di materiale compresi tra 1.8 e 10; se invece ho valori tra 0.6 e 1.8 ho i limi; al di sotto di 0.6 ho le argille.

Stratigrafia e parametri meccanici

Quindi, una prima cosa che possiamo fare con questa apparecchiatura è capire la stratigrafia dei terreni attraversati, un po' come avviene per la CPT. Insieme a questo, possiamo ricavare tutta una serie di altri parametri, sia fisici che meccanici. Ad esempio, l'OCR o il coefficiente di spinta Ko, una stima della coesione non drenata attraverso il valore del Kd (coefficiente di spinta a riposo), stima dei parametri di deformabilità (es. il modulo verticale drenato confinato, una sorta di modulo edometrico).

Correlazioni con il dilatometro

Questo per terreni coesivi ma analogamente si può fare per terreni incoerenti come peso per unità di volume, densità relativa, il grado di sovra-consolidazione, angolo d'attrito. Può succedere che si debbano incrociare i dati della prova con dilatometro con quelli ottenuti da CPT. Quadro delle varie correlazioni in sintesi.

Applicazioni avanzate del dilatometro

Un'altra applicazione del dilatometro: gli strumenti auto-perforanti, ad esempio la prova CPT, possono essere utilizzati con la funzione di portare a profondità dei particolari strumenti (geofoni) che percepiscono le onde meccaniche che si propagano nel terreno. Il principio di queste prove è quello di avere il dilatometro auto-perforante che è arrivato a una certa profondità e immagino che sulla batteria di aste di tale dilatometro ho posto 2 geofoni a 2 diverse profondità, z1 e z2, che conosco.

Analisi delle onde meccaniche

Immagino di mettere al PC. Una massa metallica sulla quale batto con un martello, genero delle onde meccaniche che possono essere di compressione o di taglio, queste si propagano nel terreno. Quelle di compressione non sono molto diverse dalle onde sonore. La velocità di propagazione delle onde meccaniche in un mezzo si correla molto bene con le caratteristiche di rigidezza del mezzo; più il mezzo è rigido, tanto più è rapida la propagazione delle onde nel mezzo. Go (modulo di rigidezza a taglio del terreno) è proporzionale alla densità del mezzo per la velocità Vs di propagazione delle onde al quadrato, quindi misurando la velocità di propagazione siamo in grado di ricostruire il Go del terreno. Questo ha importanti finalità dal punto di vista delle analisi sismiche.

Correlazione dei dati di rigidezza

Sono stati correlati i valori del modulo di rigidezza ricavato da queste prove con i valori dei moduli di rigidezza dilatometrici e in particolare il coefficiente Kd. L'utilità di queste relazioni è di utilizzare per i diversi tipi di terreno i valori di Kd e del modulo dilatometrico da provare.