Prospezione dei sistemi geotecnici - Indagini, prove e monitoraggio

SONDAGGI GEOGNOSTICI E CAMPIONAMENTO DEI TERRENI

Introduzione:

I sondaggi geognostici ci permettono di ricostruire la stratigrafia del terreno riportando campioni in superficie per anche centinaia di metri di profondità, che serviranno poi per indagini controllate di laboratorio (come visto, però, le indagini di laboratorio non sono sempre da preferire, ad esempio per i terreni non coesivi in cui non sappiamo esattamente se l'addensamento che si va a ricostruire sarà veritiero).

Possiamo avere:

• Saggi/scavi ispezionabili. Si eseguono per mezzo di un escavatore, quindi sono piuttosto superficiali, per un massimo 7/8 m di profondità;
• Sondaggi. Si dividono in:

Sondaggi a distruzione di nucleo. Si destruttura il terreno, per cui il campione che riportiamo in superficie è completamente rimaneggiato. Servono per avere un'idea della stratigrafia ma non sono ovviamente precisi per ricavare le caratteristiche del terreno. Si dividono in:

grande diametro (eseguiti a percussione o a rotazione, perdiametri sotto i 30 cm);

Sondaggi a piccolo diametro (eseguiti a rotazione o a roto – percussione, perdiametri sopra i 30 cm);

• Sondaggi a carotaggio continuo. Sono i sondaggi diagnostici per eccellenza. A differenza di quelli a distruzione di nucleo, consentono di riportare in superficie campioni il più indisturbati possibile. Si possono usare:
• Aste elicoidali cave (eseguiti per rotazione). In Italia vengono principalmente usati per realizzare pali di fondazione;
• Aste e carotiere (eseguiti per rotazione). Sono i più usati;
• Sistemi a fune Wireline (eseguiti per rotazione);
• Sistemi sonici (eseguiti per vibro – rotazione). L’avanzamento del carotiere nel terreno è facilitato dalla vibrazione della colonna d’aste;

Sondaggi Direct – Push (eseguiti per vibro – infissione). Sono quelli già visti.

Saggi/scavi ispezionabili: Consentono l’osservazione

• Trincee ispezionabili. Si tratta di scavi a sezione trapezoidale allungata. La modalità di scavo è per mezzo meccanico, quindi con escavatore. Essendo ispezionabili, ci dobbiamo passare dentro mentre li stiamo realizzando, quindi occorre che il terreno non ci venga addosso. La geometria che diamo allo scavo deve essere tale da permettere ai fianchi dello scavo di rimanere stabili il tempo necessario a portare a compimento l'ispezione, quindi va progettata (è dunque un po' un paradosso, perché facciamo questa trincea per capire che terreni ci sono ma, per realizzarla, dobbiamo ipotizzare i terreni con metodi semplificati a breve e lungo termine). Possono anche avere necessità di rimanere aperte per mesi nel caso si debbano fare studi di bonifica ambientale (principalmente vengono usate per questo).

motivo);

• Pozzi e cunicoli ispettivi. Vengono solitamente fatti quando si costruiscono delle gallerie e servono per affinare il modello geologico e geomeccanico ai fini della progettazione esecutiva della galleria. La modalità di scavo è a mano, ovvero con l'impiego di esplosivi, etc...

Vantaggi

• osservazione diretta della struttura del sottosuolo;
• identificazione di singoli strati, anche se di modesto spessore;
• possibilità di determinare le proprietà geotecniche dei terreni mediante prove in situ anche a grande scala e su terreni a grana grossa;
• possibilità di prelevare campioni indisturbati di grande dimensione ed alta qualità;
• indicazioni sulle acque sotterranee;
• possibilità di sopralluoghi e controlli in tempi diversi e da parte di più persone.

Svantaggi

• le profondità investigabili sono modeste e solitamente non si va sotto falda;
• necessità di strutture di sostegno provvisorie;

tempi di

1. Esecuzione lunghi e costi elevati logistica non banale (bisogna anche saperedove mettere tutto il materiale scavato, quindi costi aggiuntivi, etc…);
2. Necessità di personale esperto;
3. Pericolo di cedimenti e decompressione del terreno;
4. Necessità di gravosi provvedimenti anti infortunio;
5. Difficoltà ed oneri per l’occlusione degli scavi, senza produrre successivi cedimenti del terreno o alterazione del deflusso naturale delle acque superficiali e sotterranee.

Sondaggi:

Si fanno delle perforazioni (in genere verticali) nel terreno fino alla profondità stabilita.

Stabilizzazione delle pareti

Uno dei principali problemi da affrontare nei sondaggi è la stabilizzazione delle pareti, ovvero assicurarsi che il terreno circostante la perforazione non crolli per il tempo necessario. Questo è tanto più significativo quanto più è piccolo il diametro del foro, perché, per piccoli diametri, si usano tecniche di perforazione.

Che rendono più difficile il recupero dell'attrezzatura che rimane a fondo foro in caso di franamento. Si può procedere in tre modi:

1. Non si esegue nessuna stabilizzazione del foro. Si adotta quando riteniamo che il foro non frani e/o, anche se frana, siamo comunque in grado di recuperare la strumentazione (ad esempio quando facciamo un sondaggio a distruzione di nucleo con strumentazione Bucket).
2. Si impiegano tubi di rivestimento. Si fa seguire, alla fase di perforazione, una serie di tubi di acciaio cavi di 1 m l'uno che rivestono la parete del foro precedentemente realizzato. Il diametro del foro da fare sarà quindi leggermente maggiore (per permettere l'inserimento dei tubi) e se ne dovrà tenere conto. Si impiegano quasi sempre quando facciamo delle prove SPT quando facciamo calare il campionatore Raymond a fondo foro, oppure quando usiamo altri tipi di campionatori, o per le prove scissometriche, o per le prove di permeabilità.

In foro di sondaggio, o quando si vuole installare un piezometro di monitoraggio, etc... In alcuni casi, la disposizione dei tubi assume una configurazione a cannocchiale: se la perforazione è molto profonda (oltre i 50/60 m di profondità), questa viene fatta usando dei diametri progressivamente minori, come si vede dal disegno sottostante. Abbiamo così il vantaggio di ridurre fortemente la superficie di ogni tubo di rivestimento a contatto col terreno e, quindi, anche l'attrito laterale (il rischio sarebbe infatti quello di non riuscire più a recuperare i tubi). Sono comunque costosi e richiedono tempo (è da tener presente che, in una configurazione come quella del disegno sottostante, ad esempio, se pensiamo che la perforazione totale sia di 100 m, quello che si paga è "quanti metri di tubo abbiamo messo in opera e NON la profondità del foro" essendo la disposizione a cannocchiale, si saranno impiegati, ad esempio, 100 m.

di rivestimento in verde, 60 m di rivestimento in blu, e 40 m di rivestimento in rosso il totale che si paga è riferito a 200 m impiegati, non 100 m);

• Si impiegano fanghi di perforazione (o bentonitici). Si mette in circolo una miscela impermeabile di acqua e bentonite (bentonite al 3-5% il peso specifico della miscela è simile a quello dell'acqua). La bentonite è un'argilla ad elevata plasticità ed elevate proprietà tixotropiche, ovvero idrata fino al doppio del volume originario, per cui aderisce molto bene alle pareti del foro di sondaggio e tende inoltre a creare, su tali pareti, una patina capace di stabilizzarlo. Funziona bene quando ci troviamo sotto falda, perché la patina di argilla che si viene a creare non ha una resistenza meccanica come quella dei tubi in acciaio ma crea una barriera impermeabile tale da permettere all'acqua (che ha una sua pressione legata al carico idrostatico) di spingere la patina verso la

Parete del foro, agendo come stabilizzante vuol dire che i fanghi NON stabilizzano meccanicamenente (come fanno invece i tubi), ma come tramite che serve a trasmettere la pressione dell'acqua dentro al foro alla patina di argilla e, quindi, a creare una contro - spinta idraulica a quelle che sarebbero le tensioni e i detensionamenti del terreno che lo farebbero franare. Questi riescono a trasmettere la pressione perché sono impermeabili.

I tipi di fluidi di perforazione possono essere:

• a base acqua (anche solo acqua, o bentonitici, o miscelati con polimeri);
• a base aria (aria, o aria compressa, o schiume).

La loro circolazione può essere:

• Diretta: il fango di perforazione viene pompato all'interno del sistema d'asta dalla superficie e fatto uscire in corrispondenza del carotiere. Successivamente, refluisce verso la superficie attraverso l'intercapedine che lasciamo tra il foro ed il sistema di aste. Una volta fuori, viene lasciato decantare.

(ovvero sedimentare sul fondo in un vasca diseminetazione) per poi essere reimpiegato e ripetere il ciclo. E’ usata SEMPRE nei fori dipiccolo diametro. E‘ più semplice rispetto a quella inversa;

- Inversa: il fango di perforazione viene fatto entrare dall’intercapedine e, successivamente,viene pompato in superficie attraverso il sistema di aste grazie ad una pompa aspirante, ocreando un gradiente idraulico tra la vasca di immissione del fango nel foro ed il puntod’uscita, oppure impiegando aria compressa (si “spara” aria compressa a fondo foro). E’usata SOLO nei fori di grandi diametro (quando, infatti, occorre che i diametri abbiano unacerta dimesnione per consentirne il passaggio).

Le principali funzioni dei fanghi di perforazione, oltre a quella di sostenere il foro, sono:

• Raffreddare gli utensili di perforazione;
• Lubrificare le aste;
• Pulire il fondo del foro;
• Trasportare i detriti fuori dal foro;
• Proteggere gli acquiferi produttivi.

La maggior viscosità di un fango di perforazione rispetto alla sola acqua favorisce il trasporto dei detriti fuori dal foro. Questa caratteristica vedremo essere molto importante quando parleremo dei sondaggi a distruzione di nucleo con tricono.

Uno svantaggio dei fanghi di perforazione può essere la patina stessa che si viene a formare sulle pareti del foro. Può essere un problema quando:

• Occorre usare il foro per installare delle strumentazioni di monitoraggio dell'andamento della falda sotterranea (piezometri). Essendo che la patina che creiamo va a compromettere la conducibilità idraulica del terreno, se vogliamo misurare la conducibilità idraulica inserendo nel terreno un piezometro, ovvero un tubo in PVC microfessurato all'interno del quale entra acqua di falda, avremo che l'acqua farà fatica ad entrarvi dentro ➔ il tempo misurato dal piezometro sarà fortemente influenzato dall'im