Prove penetrometriche statiche con piezocono per l'identificazione delle proprietà meccaniche dei terreni

Dipartimento di Ingegneria civile, chimica, ambientale e dei materiali

Corso di LAUREA in

INGEGNERIA DELLE COSTRUZIONI EDILI (Classe L-23)

Le prove penetrometriche statiche con

piezocono per l'identificazione delle

proprietà meccaniche dei terreni

Tesi di Laurea in elementi di geotecnica T

Relatrice Presentata da

Prof.ssa Michela Marchi Riccardo Zauli

Sessione dicembre 2024

Anno Accademico 2023/2024

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Ai miei nonni ed alla mia famiglia. Voglio ringraziare mio nonno Elio e mio babbo Ivan,

senza i quali non avrei mai scoperto la passione per il mondo delle costruzioni.

Grazie anche a mia mamma Susi, mio fratello Simone e Leo.

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«Purtroppo, i terreni sono fatti dalla natura e non dall'uomo, ed i prodotti della natura sono

sempre complessi ... non appena passiamo dall'acciaio e dal cemento alla terra, l'onnipotenza

della teoria cessa di esistere».

(Karl von Terzaghi)

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INDICE

INTRODUZIONE 9

....................................................................................................................

PARTE PRIMA: LE C.P.T.U. 11

...............................................................................................

1.1 I 11

NDAGINI E PROGETTAZIONE GEOTECNICHE ................................................................

1.2 P 15

ROVE PENETROMETRICHE ...........................................................................................

1.2.1 Prova penetrometrica statica (C.P.T.) 17

.................................................................

1.2.2 Prova penetrometrica statica con piezocono (C.P.T.u.) 20

.....................................

1.3 I C.P.T. . 22

NTERPRETAZIONE DEI DATI RICAVATI DALLA U ................................................

1.3.1 Stratigrafia e classificazione del terreno 23

.............................................................

1.3.2 Rapporto di preconsolidazione (O.C.R.) 25

.............................................................

1.3.3 Angolo di attrito interno (ɸ’) 27

...............................................................................

1.3.4 Resistenza al taglio non drenata (S ) 29

...................................................................

u

1.3.5 Conducibilità idraulica (K) 32

..................................................................................

1.3.6 Modulo edometrico (M) 34

........................................................................................

PARTE SECONDA: ANALISI DI UN CASO REALE 36

......................................................

2.1 Indagini e monitoraggio del sito archeologico di Sante Croce (Ravenna, Italia) 36

2.2 Indagine geotecnica 39

..................................................................................................

CONCLUSIONE 54

....................................................................................................................

BIBLIOGRAFIA 55

....................................................................................................................

SITOGRAFIA 56

.........................................................................................................................

RINGRAZIAMENTI 58

.............................................................................................................

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INTRODUZIONE

Il terreno, a differenza dei materiali edili d’uso comune (come il calcestruzzo o l’acciaio), è un

elemento naturale, la cui composizione e caratteristiche variano in funzione della sua storia

geologica; dunque, tali aspetti possono differire sia da sito a sito sia all'interno della stessa area

Se da un lato, la definizione delle proprietà dei tradizionali

(Riccardo Berardi, 2017).

componenti da costruzione è relativamente semplice e si basa su prove standardizzate e/o valori

indicati nelle normative tecniche (in funzione della tipologia e della classe del materiale);

d’altro canto, del terreno indagini

la comprensione di una determinata località richiede accurate

e studi approfonditi. Alla luce di quanto esplicato, risulta evidente l'importanza del sottosuolo

dell’opera che vi sorgerà. si riporta

nel determinare il comportamento strutturale A tal proposito,

un estratto delle vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni (2018): «le analisi di progetto

devono essere basate su modelli geotecnici dedotti da specifiche indagini definite dal progettista

in base alla tipologia dell’opera o dell’intervento e alle previste modalità esecutive».

Il presente scritto esamina le principali prove geognostiche necessarie per un’idonea

caratterizzazione del luogo in esame, con particolare attenzione rivolta ad una delle soluzioni

più innovative nell’ambito di ricerca geotecnico, ovvero le cosiddette “prove penetrometriche

statiche con piezocono” o, meglio note come “C.P.T.u.” (Cone Penetration test with pore water

pressure measurement - piezocone test). Queste indagini consistono nell’infissione del terreno

da parte di una punta dotata di sensori, che permettono di risalire a parametri fondamentali per

la comprensione del materiale sotto studio; quali l’angolo di attrito interno (ɸ’), la pressione

interstiziale (u) ed ultima, ma non per importanza, la successione stratigrafica. La conoscenza

della stratigrafia del sito rappresenta un passo cruciale per una corretta progettazione di una

qualunque opera ingegneristica; è evidente che, in presenza di un materiale a grana grossa

(quale la sabbia) o di uno a grana fine (quale l’argilla), si dovranno adottare soluzioni

progettuali differenti per garantire alla costruzione livelli adeguati di durabilità, stabilità e

sicurezza.

Per comprendere al meglio la tematica oggetto di studio, è opportuno fare un passo indietro e

procedere in modo graduale. A tal scopo, si suddivide questo elaborato in due parti. Nella prima

sezione si affronta l’argomento con un approccio prettamente teorico, partendo dai concetti base

della progettazione geotecnica, fino ad le prove penetrometriche

approfondire quanto concerne

con piezocono. Nella seconda parte, invece, si applicano i concetti visti in precedenza ad un

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caso studio reale: il sito archeologico della Chiesa di Santa Croce, Ravenna, Italia. L’obiettivo

di tale studio è definire sia la stratigrafia del terreno sia le sue proprietà, al fine di comprendere

il contesto su cui sorge l’opera stessa. 10

PARTE PRIMA: LE C.P.T.u.

1.1 Indagini e progettazione geotecniche

Gli studi geologico - geotecnici costituiscono una parte essenziale sia nella fase di progettazione

sia in quella di esecuzione di una qualunque opera di ingegneria civile; questo poiché il suo

comportamento sarà fortemente influenzato dalle caratteristiche dei terreni sottostanti e/o

circostanti (Giusy Mitaritonna, 2012). Le analisi del sottosuolo forniscono informazioni utili e

dettagliate, relativamente alle proprietà fisiche e meccaniche del materiale caratterizzante il sito

sottoposto ad indagine, come i dati per valutarne la capacità portante, la stabilità e la risposta a

carichi statici e dinamici. Peraltro, i risultati ottenuti rappresentano un punto chiave per la

valutazione dei costi di un progetto costruttivo (Luis I. Gonzalez de Vallejo, 2005): si stima che

circa un terzo dei programmi subisca ritardi a causa di insufficienti investigazioni e/o errata

interpretazione dei riscontri ottenuti da esse (Tyrell et al., 1983). Noto che i terreni sono dotati

di una propria storia, durante la quale si sono verificati processi che ne hanno condizionato sia

le proprietà fisiche sia la risposta alle sollecitazioni esterne, (Riccardo Berardi, 2017) si

comprende come ogni progetto abbia le proprie peculiarità (Luis I. Gonzalez de Vallejo, 2005);

di conseguenza, per la quantificazione dei prezzi non vi sono regole definite.

Un ulteriore aspetto che ci permette di comprendere la complessità di questo materiale è la

variabilità dei parametri che ne identificano il comportamento, i quali non solo variano da sito

a sito, ma variano nell’ambito della stessa area in esame; rischi ed incertezze sono

caratteristiche del terreno e non sono mai completamente eliminate (Riccardo Berardi, 2017).

Fino a questo punto si è fatto riferimento alle “indagini in situ”: ma cosa si intende con questo

termine? La parola “in situ” deriva dal latino e significa “nella sua posizione originale” e si

riferisce al testare i geomateriali direttamente nel terreno (National Academies Press, 2019). La

valutazione del rischio geotecnico è definita in relazione ai possibili pericoli (cosa può andare

storto), dalla probabilità che si verifichino (quanto è probabile che vada storto) e dalle

conseguenze che essi comportano (quali sono i risultati). Per la definizione e la

caratterizzazione del suolo sono state messe a punto numerose prove sul campo (Broms &

Flodin, 1998, Robertson, 1986, Mayne, 2012); molte delle quali (figura 1.1) sono, però,

destinate ad un uso particolare e non trovano ampio impiego nella pratica (National Academies

Press, 2019). Di seguito si riporta una schematizzazione proposta dalla National Academies

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Press (2019), rappresentante le più comuni pratiche geotecniche per la valutazione dei

parametri fondamentali per la comprensione del comportamento dei terreni.

Figura 1.1 – Rappresentazione delle possibili indagini in situ (National Academies Press, 2019)

La tabella 1.1, invece, contiene una lista sia delle principali indagini eseguibili in loco,

accompagnate dai possibili dati acquisibili da ciascuna di esse, sia la loro applicabilità in diverse

condizioni del suolo. Le lettere e/o simboli riportate all’interno delle colonne hanno i seguenti

significati:

“A” = applicabilità alta;

- “B” = praticabilità moderata;

- “C” = utilizzabilità bassa;

- “-” = nessuna.

-

Tabella 1.1 – L’applicabilità ed utilità delle principali indagini in situ (Lunne, Robertson & Powell, 1997,

aggiornate da Robertson, 2012)

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Le attuali normative tecniche per le costruzioni (N.T.C. 2018) vigenti in Italia, approvate con il

D.M. del 17 gennaio 2018, prevedono che le ricerche geotecniche debbano riguardare un

volume significativo e consentire la definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo necessari

alla progettazione. Con il termine “volume significativo”, s’intende quella quota parte di terreno

che interagisce in modo apprezzabile con il manufatto; in altre parole, è quella frazione di

sottosuolo che è influenzata dalla costruzione dell’opera o che ne può influenzare il

comportamento (Diego Barbero, 2018).

Figura 1.2 - Esempi di estensione del volume significativo per le più frequenti opere geotecniche in caso di

terreno omogeneo (AGI, 1977)

Lo scopo delle indagini in situ è quello di identificare le condizioni stratigrafiche e di falda

all’interno della porzione geotecnicamente rilevante e di descriverne, congiuntamente alle

prove di laboratorio, il modello geotecnico. Da legislazione italiana: «per “modello geotecnico”

si indentificano schemi rappresentativi delle condizioni stratigrafiche, del regime delle

pressioni neutre e della caratterizzazione fisico - meccanica dei terreni e delle rocce comprese

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nel volume significativo, finalizzato all’analisi quantitativa di uno specifico problema

geotecnico». Pertanto, tale rappresentazione illustrativa deve essere sviluppata in modo tale da

costituire un riferimento per il progettista, permettendogli di definire sia il programma delle

indagini geotecniche, sia i caratteri dell’area sotto esame, tra cui:

la stratigrafia di dettaglio e le caratteristiche macro e mega strutturali;

- le condizioni di falda;

- la storia tensionale del deposito e lo stato tensionale attuale;

- le caratteristiche meccaniche.

-

Nell’ambito geotecnico esistono, però, ulteriori mezzi di ricerca; in particolare, è possibile fare

riferimento alle già citate “prove di laboratorio”. Le differenze tra le due tipologie di indagini

trattate riguardano, prevalentemente, le dimensioni del materiale testato, le condizioni di prova

ed i risultati ottenibili. In aggiunta, nelle prove non eseguite in loco si opera su provini

generalmente cilindrici, ottenuti da campionamento; di conseguenza, poiché le condizioni

geometriche, di vincolo e di drenaggio dei campioni estratti sono ben definite, l’analisi dei

risultati è ottimale allo studio delle leggi costitutive (Eugenio Castelli, 2022).

Figura 1.3 – Cassetta catalogatrice da sondaggio stratigrafico (Drill Service, 2020)

I saggi prelevati durante la fase di perforazione in situ, possono essere caratterizzati da un

diverso grado di perturbazione, in funzione sia della tecnica di estrazione sia degli strumenti

impiegati per compiere tale intervento. In geomeccanica si è soliti trattare di “campioni

indisturbati”, ovvero prelievi di materiale che conservano la struttura, il contenuto d’acqua e la

composizione chimica che il terreno presentava nel suo ambiente d’origine. In relazione a

questo fattore, l’Associazione Geotecnica Italiana (A.G.I.) propone cinque gradi di qualità del

materiale. 14

Tabella 1.2 – Classi di qualità da campionamento (A.G.I., 1977)

Al contrario, nelle indagini in situ si opera con il terreno nella sua sede naturale,

conseguentemente i volumi indagati sono maggiori e significativi. Tali prove sono

generalmente più rapide ed economiche, permettendo di definire più attendibilmente alcuni

parametri geotecnici, quali la deformabilità e lo stato tensionale iniziale (k ). Inoltre, per

0

depositi non coesivi (come la sabbia), per i quali non è possibile prelevare campioni indisturbati,

rappresentano l’unica possibilità per caratterizzare il deposito (Riccardo Berardi, 2017). D’altro

canto, questi studi sono soggetti da un’elevata complessità di interpretazione dei risultati: come

le condizioni al contorno, di drenaggio e gli effetti di disturbo. Peraltro, al fine di ricavare

informazioni dai dati raccolti, trovano impiego correlazioni empiriche che vengono messe a

punto sulla base di analisi a ritroso e da dati di laboratorio.

Sulla base di quanto affermato si fa osservare che le due categorie di analisi (in laboratorio ed

in loco) sono, dunque, soluzioni complementari e non alternative (Eugenio Castelli, 2022).

In questo scritto si tratta solo, ed esclusivamente, delle soluzioni in situ; in particolare, delle

cosiddette “prove penetrometriche”.

1.2 Prove penetrometriche

Le prove penetrometriche (sia dinamiche che statiche) rappresentano uno dei mezzi di ricerca

sempre più frequenti nella pratica professionale (Marco De Pisapia, n.d.). Secondo Guy

Sanglerat (professore dell’Ecole Centrale Lyonnaise), il test è nato dall'esigenza di acquisire

dati sugli strati sub - superficiali, che non potevano essere ottenuti con altri mezzi (Wazoh &

Mallo, 2014).

L’esecuzione dell’indagine consiste nell’inserire all’interno del terreno una punta

metallica, oppure una sonda, permettendo una sua indiretta caratterizzazione misurandone la

resistenza alla penetrazione a diverse profondità, per poi risalire alle sue proprietà meccaniche

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quali la consistenza, la densità relativa, la resistenza ed i moduli di deformabilità. Inoltre,

permette di acquisire anche informazioni sulla successione stratigrafica e, mediante il prelievo

di campioni di terreno, consente il confronto tra i dati ottenuti con quelli analitici, al fine di

garantire risultati maggiormente attendibili e rappresentativi della realtà (Riccardo Berardi,

2017).

Le indagini penetrometriche si distinguono in due grandi famiglie: statiche e dinamiche.

Nell’ambito delle seconde, la prova più diffusa e nota (anche se vi sono numerosi dubbi

sull’affidabilità dei dati ricavati), è la “prova di penetrazione standard” (S.P.T.); conosciuta sia

per la sua semplicità e velocità di esecuzione, sia per il basso costo richiesto per effettuare

un’indagine (Alberto Bruschi, 2010). A fronte, però, dei numerosi aspetti positivi che offre

questa soluzione, uno svantaggio è rappresentato dal dover effettuare un carotaggio; causa

scatenante di un incremento dei costi.

Utilizzando una macchina di perforazione (o carotiere) si esegue un foro di trivellazione, in

modo tale da raggiungere la profondità prevista per la prova, adottando tecniche che

minimizzino il disturbo del terreno (nel comune si opera un’attenta pulizia del foro). Al

completamento di questa prima fase, il carotiere viene poi sostituito con un campionatore di

dimensioni standard (Luis I. Gonzalez de Vallejo, 2005): un tubo cavo di diametro interno di

circa 35 mm che, collegato ad una batteria di aste, viene infisso all’interno del suolo.

Figura 1.4 – Schema di attrezzatura (sx, Riccardo Berardi, 2017) e campionatore per la SPT

(dx, Geomagellan, n.d.)

L’infissione avviene mediante la caduta di un maglio (di peso standard pari a 63,50 kg) da

un’altezza di 760 mm, su una testa di battuta fissata alla sommità della batteria di asta (Luis I.

Gonzalez de Vallejo, 2005). Durante lo svolgimento del test vengono rilevati i numeri di colpi

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necessari per far avanzare il campionatore di una tratto pari a 450 mm (si registrano le quantità

di battute relative a 150 mm + 150 mm + 150 mm di penetrazione). Data l’alterazione del livello

superficiale, nel conteggio finale si escludono gli urti richiesti per ricavare il tratto iniziale

(Riccardo Berardi, 2017).

Tema centrale di questo scritto, però, non è rappresentato dal mezzo di indagine appena citato,

ma dalle prove penetrometriche statiche; in particolar modo, si suole approfondire la tematica

delle C.P.T.u. (prove penetrometriche statiche con piezocono).

1.2.1 Prova penetrometrica statica (C.P.