Prospezione dei sistemi geotecnici - Indagini, prove e monitoraggio

PROSPEZIONE

Settore: ICAR/07 DEI SISTEMI

GEOTECNICI I

Teoria

UNIMORE

Università degli Studi di

Modena e Reggio Emilia

Filippo Ribes

NOTEWAVE_RF Autore degli appunti: Filippo Ribes

Gli appunti sono stati scritti sulla

base delle lezioni svolte dal

Professor Alessandro Corsini e

comprendono solo il MODULO 2

(metodi d’indagine geotecnica) ed

il MODULO 3 (monitoraggio

geotecnico) ma in maniera più

approfondita.

Per dubbi, chiarimenti o

altro, mi trovi su

Instagram:

ig: NoteWave_RF

ig: fil_ribes

Domande esame orale:

1) Cosa sono il modello geologico ed il modello geotecnico;

2) Approcci 1 e 2 delle verifiche agli SLU;

3) Azione sismica;

4) Volume significativo;

5) Categorie di sottosuolo;

6) Verifica della liquefazione (indice di liquefazione);

7) Come si progettano le fondazioni (formula del Q limite);

8) Prove SPT;

9) Prove CPT;

10) Carte di Robertson, punta meccanica, etc…

11) Circolazione fanghi;

12) Sondaggio e carotaggio continuo;

13) Sondaggio wire line;

14) Riconoscimento stratigrafico: com’è il rapporto di indagini, cosa ci dobbiamo mettere, etc…

(bisogna spiegare dalle cassette catalogatrici, il tipo di terreno come tatto, addensamento,

etc..);

15) Vari tipi di campionatori;

16) Prova di sovracarotaggio;

17) Martinetto Goodman;

18) Prove di permeabilità;

19) Log geofisici (telecamera acustica, ottica, raggi gamma, etc…);

20) Prove di carico su piastra;

21) Prove su piastra Highway Research Board;

22) Martinetti piatti singoli e doppi;

23) Piezometri e time lag (tempo di risposta);

24) Inclinometri (LI VUOLE MOLTO BENE);

25) Assestimetri;

26) Estensimetri e fessurimetri;

E’ richiesto anche un ripasso di geotecnica (grado di consolidamento, coefficiente edometrico e

prova edometrica, etc… pensa un po’ te)

[In questi appunti sono approfonditi i Moduli 2 e 3. Per il Modulo 1, si rimanda ad altri appunti]

1

BLOCCO 2

Indagini e Prove nel Sottosuolo

2

PROVE PENETROMETRICHE

Introduzione:

Le prove penetrometriche vengono fatte per ottenere i parametri geotecnici di interesse del

terreno e le informazioni sulla successione stratigrafica a partire da un singolo risultato ottenuto

dalla prova: la resistenza alla punta e la resistenza laterale o il numero di colpi, a seconda del tipo

di prova impiegata.

Consistono nell’infiggere nel terreno una punta o un campionatore (a seconda del tipo di prova)

collegato ad una batteria di aste.

Tali prove si dividono in 2 grandi classi:

➢ Prove dinamiche: l’infissione nel terreno avviene per mezzo di battitura ripetuta con un

maglio di una certa massa ad una determinata altezza costante;

➢ Prove statiche: l’infissione nel terreno avviene per pressione continua (esercitata da un

martinetto idraulico) a velocitò costante di una punta conica.

Queste possono inoltre essere:

➢ In foro di sondaggio: eseguite sul fondo di un foro di sondaggio;

➢ Autoperforanti: eseguite da piano campagna.

Prove penetrometriche dinamiche

Si dividono in:

• Prove SPT (Standard Penetration Test);

• Prove DP, che a loro volta si dividono, sulla base della massa battente, in:

- DPL;

- DPM;

- DPH;

- DPSH;

• Prove SCPT.

Prove penetrometriche statiche

Si dividono in:

• Punte meccaniche CPT;

• Punte elettriche CPTE;

• Punte elettriche con piezocone CPTU;

• Punte speciali (sismiche, ambientali).

Sia con le prove dinamiche che statiche NON riusciamo a misurare rocce hard rocks. Al massimo,

possiamo misurare rocce lapidee o cementate o le parti più alterate degli argilliti. Stessa cosa per

3

le ghiaie grossolane (al massimo ghiaie medie per le dinamiche superpesanti, mentre per le

statiche meccaniche CPT si può prosegure un pochino appena si incontra uno strato di ghiaia,

sperando sia piccolo, mentre si tende a non provarci nemmeno se si sta usando una punta

elettrica onde evitare di romperla).

N.B: Per “manovra” si intende il gergo geotecnico di operazione di generica di perforazione,

campionamento, etc… (ad esempio, nei carotaggi, quando si dice “al termine della manovra…” si

intende al termine dell’operazione di carotaggio).

4

PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE

Prove SPT (Standard Penetration Test):

Vanno bene per molti tipi di terreno (regolando opportunamente il tipo

di campionatore) ma sono ottimali per i terreni sabbiosi.

Consentono di determinare la resistenza opposta dal terreno alla

penetrazione di un campionatore collegato ad una batteria di aste

infisso per battitura (prova dinamica) ripetuta di un maglio di 63,5 kg ad

un altezza costante di 760 mm sulla testa di battuta, posta alla sommità

della batteria di aste. La prova viene eseguita sul fondo di un foro di

sondaggio. Il campionatore usato è del tipo Raymond, a parete grossa e

apribile. Consentono quindi di raccogliere campioni di terreno

disturbato. Si registrano:

- : numero di colpi necessari a produrre l’infissione nel

1

terreno per 15 cm;

- : numero di colpi necessari a produrre l’infissione nel

2

terreno per ulteriori 15 cm;

- : numero di colpi necessari a produrre l’infissione nel

3

terreno per ulteriori 15 cm;

da cui si calcola poi: = +

2 3

che esprime la resistenza alla penetrazione. non viene contato nei calcoli perché si assume che

1

la parte più superficiale del fondo del foro di sondaggio abbia subito un disturbo e, quindi, un

detensionamento. 5

➔

= 50

Se con l’avanzamento è < 15 cm l’infissione è sospesa e la prova è conclusa annotando

1

la relativa penetrazione. ➔

+ = 100

Se con l’avanzamento è < 30 cm l’infissione è sospesa e la prova è conclusa

2 3

annotando la relativa penetrazione.

Fattori che influenzano la prova SPT

➢ Pressione del terreno sovrastante: affinché il campionatore entri nel terreno, dovrà

➔

spostare materiale lateralmente più andiamo in profondità, maggiore sarà il numero di

colpi (a parità di densità relativa);

➢ Caratteristiche del terreno: rientrano fra queste:

- Correzioni dovute alla granulometria: la presenza di ghiaia o l’alto grado di angolosità

dei grani può comportare valori più alti di (a parità di densità relativa). Le SPT nei

terreni ghiaiosi sono comunque molto rare;

- Correzioni dovute alla presenza della falda: la correzione in presenza di falda viene

applicata solo se il numero di colpi è maggiore di 15, ovvero se si presuppone che tutto

lo strato si trovi in falda. Questo viene fatto per due ragioni:

1°) Ragione geotecnica (poco rilevante);

2°) Ragione idrodinamica: la valvola a sfera in sommità del tubo campionatore serve a

sfiatare l’aria e l’acqua all’interno del campionatore. Con l’aria non ci sono problemi,

➔

ma con l’acqua non si ha una conducibilità infinita se non ci fosse la valvola e

fossimo in presenza di acqua, il terreno diventerebbe incomprimibile e non si andrebbe

più giù: l’acqua si oppone all’avanzamento del tubo, per cui se ne deve tener conto

quando siamo in presenza di falda; 6

- Correzioni dovute alle tensioni litostatiche efficaci: dipendono dal tipo di terreno,

prevalentemente se si tratta di sabbia a grana fine o a grana grossa;

➢ Modalità di esecuzione della prova e dispositivo di battitura: vi rientrano la frequenza di

battitura (al massimo 30 colpi al minuto) e i disturbi provocati dal fondo del foro e

dall’applicazione dei rivestimenti. Si deve inoltre tener conto di quanta energia il

dispositivo di battitura può trasferire al marchingegno asta + campionatore, da cui si

calcola un valore corretto per le procedure esecutive:

= ∙ ∙ ∙ ∙

60

: fattore di correzione per il diametro del foro;

: fattore di correzione per il tipo di campionatore;

: fattore di correzione per la lunghezza della fune;

: valore di SPT misurato (eventualmente già corretto per la presenza della falda prima

citata);

: fattore di correzione che tiene conto, a seconda del tipo di massa battente, del valore

di efficienza energetica rispetto a quella teorica. Per stimare la vera energia, si può

applicare una cella di carico (è la soluzione migliore, ma non si fa quasi mai) o ci si basa su

stime altrui. Dunque, è il rendimento normalizzato al 60%, ovvero si assume che, quando

battiamo, riusciamo a trasferire solo il 60% dell’energia alla punta, in quanto parte di

questa viene dissipata dalle vibrazioni. Il valore di si ottiene come:

=

60

: rapporto fra l’energia che effettivamente abbiamo generato con la battitura e

l’energia nominale.

Correlazioni empiriche delle prove SPT

Attraverso opportuni abachi di origine sperimentale è possibile correlare i risultati delle prove SPT

con i parametri geotecnici di interesse a seconda del tipo di terreno. Vediamo nel seguito quali

sono. 7

Parametri geotecnici derivabili da prove SPT per terreni non coesivi (sabbiosi)

• : resistenza al taglio opposta dal terreno. Dipende dalla coesione drenata c’, dalla

tensione totale σ, dalle pressioni interstiziali u e dall’angolo di resistenza al taglio di picco

φ’;

• : densità relativa. E’ espressa come:

à

=

à

′

Serve a correggere il valore di tenendo in considerazione : tensione litostatica

0

efficace alla profondità della prova. L'addensamento in sito delle sabbie, una volta che le

abbiamo campionate, è perduto: non posso ricavarlo in laboratorio. L'unico modo per

conoscere l'addensamento di un terreno granulare è misurandolo in situ e le SPT sono tra

le poche prove penetrometriche che permettono ciò. La densità relativa, a sua volta, si lega

all'angolo d'attrito interno, che può essere ricavato in laboratorio;

• φ’: angolo di resistenza al taglio di picco (o angolo d’attrito interno). E’ una caratteristica

propria del terreno che serve a conoscerne le caratteristiche meccaniche ed è funzione

dell’attrito, della coesione e della forma dei grani. Si basa sul criterio di rottura di Mohr –

Coulomb che, attraverso i Cerchi di Mohr, permette di definire gli stati tensionali possibili.

Può essere stimato a partire dal valore della densità relativa ;

• : indice di compressibilità. Serve per stimare i cedimenti nei terreni granulari. E’ legato al

fatto che, quando carichiamo il terreno sabbioso, questo tende ad addensarsi

ulteriormente. Così come la densità relativa, anche l’indice di compressibilità si può

ricavare solo in situ, quindi NON da prove di compressibilità in laboratorio (che sono legate

al modulo edometrico). Dipende da : valore medio di ottenuto nel sottosuolo

➔

entro la profondità significativa sotto il piano di posa della fondazione è la profondità

entro la quale i carichi applicati si risentiranno;

• CRR: rapporto di resistenza ciclica. Serve per le verifiche alla liquefazione in condizioni

sismiche;

• E: modulo di elasticità. Può essere usato per stimare una parte dei cedimenti;

• G: modulo di taglio;

• : velocità delle onde di taglio nel terreno. Possono essere calcolate con prove MASV;

• : rapporto di compressione volumetrica in condizioni sismiche. Esprime il grado di

addensamento e può essere usato per stimare i cedimenti epossidici, ad esempio il

cedimento a compressione volumetrica dei terreni granulari in condizioni sismiche (ovvero,

se viene un terremoto, queste sabbie non sature quand’è che si addensano?). Per i terreni

granulari non saturi, se occorrono pochi colpi di prova SPT, allora il terreno sarà piuttosto

➔

sciolto, quindi le sabbie sono già addensate di loro se avviene un sisma, lo saranno

ancora di più: il terreno potrebbe essere potenzialmente liquefacibile. Per i terreni

granulari saturi liquefacibili, entra in gioco il rapporto di pressione interstiziale, ovvero

l'entità di aumento delle pressioni interstiziali dovute al terremoto: più sono alte, più

avremo problemi. Dipendono da quanto si deforma il terreno, quindi dalla velocità delle

onde di taglio, e dal modulo di taglio G. 8

Parametri geotecnici derivabili da prove SPT per terreno coesivi (limo - argillosi)

• : coesione non drenata. Per un argilla non sensitiva, può essere stimata grazie ai risultati

della prova SPT attraverso la correlazione di Stroud, che è funzione dell’indice di plasticità;

• OCR: grado di sovraconsolidazione. E’ la spinta attiva/passiva del terreno e dipende da

′

: tensione litostatica efficace verticale alla profondità della prova;

0

[ e OCR sono più vantaggiosi da ricavare in situ pittosto che in laboratorio perché più

accurati e meno laboriosi (si evita la prova edometrica in laboratorio)]

• M: modulo edometrico confinato;

• E: modulo di elasticità;

• G: modulo di taglio;

• : velocità delle onde di taglio nel terreno.

Prove penetrometriche dinamiche continue con punta conica DP:

Si manda giù nel terreno una punta conica, quindi non riportano in superficie alcun campione. Si

va giù ad oltranza, finché non si arriva al rifiuto della prova (alti fattori di attrito laterale). Il

penetrometro è collegato ad una serie di aste e non è molto ingombrante: sia che sia per prove

statiche che per prove dinamiche, sta tutto dentro il cassone di un automezzo. Sulla base della

massa battente, si hanno diversi tipi di penetrometri:

≤

- Tipo leggero (DPL): massa 10 kg;

- Tipo medio (DPM): massa tra i 10 e i 40 kg;

- Tipo pesante (DPH): massa tra i 40 e i 60 kg;

≥

- Tipo superpesante (DPSH): massa 60 kg.

Ovviamente, maggiore è la massa e più potremo indagare in profondità.

Nello specifico, la prova superpesante DPSH

ricorda (per massa battente, altezza, etc…) la

prova SPT, ma ha la punta conica invece del

campionatore ed impiega dei fanghi

bentonitici. La sua energia specifica per colpo si

calcola come: ∙

= ∙

M: massa battente;

H: altezza;

A: area della punta conica;

: avanzamento della punta. 9

Correlazioni empiriche delle prove DP

Le correlazioni empiriche per le prove DP sono le stesse delle prove SPT. Per questo motivo, il

numero di colpi N della prova DP dovrà essere convertito in un numero di colpi equivalenti

della prova SPT. Dunque, noto il valore di (di una delle quattro prove DP prima citate), lo si

rapporta a : energia specifica per colpo ottenuta dalla prova SPT, e si calcola il coefficiente

teorico di energia :

=

è un fattore di conversione che ci consente di trasformare il numero di colpi misurati N con una

prova DP con l’equivalente numero di colpi N della prova SPT:

= ∙

da cui è quindi possibile risalire ai dati geotecnici di interesse entrando negli abachi prima citati

per le prove SPT.

Prove penetrometriche dinamiche continue con punta conica superpesanti SCPT:

Hanno caratteristiche simili alle SPT ma l’avanzamento è ogni 30 cm (e non 15 cm) e con punta

conica più larga delle aste, che porta a sviluppare molto attrito laterale: per ovviare a questo

problema, si inseriscono (per infissione o per battitura) dei tubi metallici cavi di diametro interno

leggermente superiore a quello della punta conica che avanzano con la prova e che permettono di

tenere aperto il foro che si viene a generare. Tali rivestimenti vanno messi dopo i primi 30 cm di

avanzamento della prova e vanno tenuti per ulteriori 30 cm di avanzamento. Il rapporto tra il

numero di colpi prima dello strato con rivestimenti ed il numero di colpi dello strato con

rivestimento ci formisce un idea di cosa stiamo perforando:

10

[I terreni argillosi sono dotati di maggiore attrito laterale rispetto a quelli

sabbiosi].

Se vogliamo piantare un ombrello nel terreno:

- se il terreno è sabbioso, facciamo più fatica ad avanzare con l'ombrello;

- se il terreno è argilloso, facciamo più fatica a sfilare l'ombrello]

La resistenza dinamica alla punta si trova col metodo Olandese:

2

∙ ∙

=

∙ ∙ ( + )

: peso massa battente;

: altezza;

: numero di colpi;

: area della punta;

: avanzamento della punta;

: peso totale aste e sistema battuta. 11

PROVE PENETROMETRICHE STATICHE

Penetrometri:

Come già detto, nelle prove penetrometriche statiche si impiegano dei penetrometri, ovvero delle

punte coniche collegate ad una batteria di aste che vengono infissi nel terreno senza battitura. Si

2 2

misurano quanta forza (N o N/cm o kg/cm ) bisogna imprimere alla punta per farla avanzare e,