Riassunto esame Geologia, prof. Critelli

Esame di Stato

Prove geotecniche

Generalità

La caratterizzazione geotecnica consente la determinazione delle caratteristiche idrauliche e meccaniche del terreno. Essa viene ottenuta attraverso prove sul posto e prove di laboratorio.

Le indagini in situ hanno alcuni vantaggi rispetto alle prove di laboratorio: consentono di determinare un andamento pressoché continuo delle caratteristiche geotecniche con la profondità, interessano un volume di terreno maggiore e in genere danno indicazioni più attendibili sulla deformabilità e sulla permeabilità di alcuni terreni. Tra gli svantaggi, quello principale è la determinazione delle condizioni al contorno del problema in esame, poiché sono difficili da determinare le condizioni di drenaggio nel terreno le quali possono influire sullo stato tensionale efficace. Inoltre, i risultati ottenuti non sono agevolmente interpretabili perché l’esecuzione della prova può introdurre disturbi che falsano i risultati.

La porzione di sottosuolo interessata dalle prove geotecniche in situ è detta "volume significativo" e dipende dalla tipologia di intervento da realizzare. Il volume significativo può variare da poche migliaia a milioni di m³. Solitamente le indagini vengono condotte lungo verticali che attraversano completamente il volume indicato. L'Associazione Geotecnica Italiana (1977) indica che devono essere eseguite almeno tre verticali, ed almeno una verticale ogni 600 m².

Le prove di laboratorio consentono la definizione dei parametri di deformabilità e di resistenza di un campione di terreno. I vantaggi di tali prove consistono nell’avere condizioni al contorno ben definite, nel poter controllare le modalità di drenaggio e nella possibilità di imporre percorsi di sollecitazione ed anche superfici di rottura. I limiti, invece, consistono nella difficoltà ad ottenere campioni "indisturbati" e nelle dimensioni limitate del volume di terreno sottoposto alla prova. I risultati vengono, poi, estrapolati alla scala reale. Il confronto con i dati delle prove in situ consente di valutarne l’attendibilità.

Le prove in situ e le prove di laboratorio devono essere considerate come due procedimenti complementari che, opportunamente utilizzati in parallelo, consentono di ridurre le incertezze nella valutazione del comportamento dei terreni. In talune situazioni, tenendo presenti i vantaggi e gli svantaggi dei vari tipi di prova, può essere conveniente privilegiare certi tipi di prova rispetto ad altri.

Lo studio del fenomeno franoso dell’area in esame ha richiesto l’esecuzione di indagini e prove in situ e di laboratorio, ai fini della caratterizzazione geotecnica. Sono di seguito menzionati i caratteri generali delle diverse tipologie di indagine eseguite.

Indagini in situ

I principali pregi delle indagini in situ comprendono la determinazione dei profili stratigrafici e delle caratteristiche fisiche e meccaniche di ciascun strato. Per la determinazione della stratigrafia si usano principalmente i sondaggi. A seconda del tipo di attrezzatura, si distinguono sondaggi a rotazione e sondaggi a percussione. La perforazione a rotazione ha delle caratteristiche vantaggiose rispetto alla percussione in quanto è meno distruttiva e più silenziosa. La scelta dell’uno o dell'altro sistema dipende da diversi fattori. Se la perforazione è destinata all’analisi della carota è necessaria una perforazione a rotazione (carotaggio continuo).

Nei fori di sondaggio possono essere eseguite prove in situ di vario tipo e possono essere installate strumenti di misura e monitoraggio, quali piezometri, inclinometri, ecc.

Perforazione a carotaggio continuo

I sondaggi sono delle perforazioni generalmente ad asse verticale che, attraverso il prelievo di campioni rimaneggiati e indisturbati, consentono di riconoscere la successione e la natura dei terreni. Per campioni rimaneggiati si intendono in genere campioni rappresentativi del terreno in sede e possibilmente con lo stesso contenuto d’acqua; il prelievo di tali campioni non richiede il ricorso ad attrezzature e tecniche particolari. Per campioni indisturbati si intendono campioni che conservano la struttura, il contenuto d’acqua e la consistenza del terreno nella sua sede; il campione indisturbato ideale dovrebbe aver subito solamente una variazione di stato tensionale durante le operazioni di prelievo.

La perforazione a carotaggio continuo viene eseguita tramite sonda a rotazione (fig. 4), montata su mezzo cingolato, mediante carotieri semplici o doppi, a seconda della natura dei terreni attraversati, di diametro normalmente compreso tra 75 mm e 150 mm, che consentono il prelievo dei campioni rappresentativi ("carote"). La perforazione permette il prelievo continuo di campioni di terreno, adattando la velocità di rotazione e la spinta alla natura del terreno stesso.

Figura 4. Attrezzatura da perforazione con sistema a rotazione.

La sonda è alimentata da una testa idraulica che fornisce alla batteria di aste un movimento rotatorio. Le aste sono cilindriche, cave ed avvitate in serie man mano che la perforazione acquista profondità. La spinta necessaria all’attrezzo per "tagliare" il terreno è prodotta da un mandrino. Alla base della batteria di aste è posto un carotiere, semplice o doppio, ovvero un utensile di perforazione formato da un cilindro avente all base una corona dentata tagliente (corone al carburo di tungsteno "WIDIA"). Alla base del cilindro, subito sopra la corona, può essere montato un dispositivo (estrattore) per non far cadere la carota nel foro, quando si risolleva il carotiere. Il carotiere viene fatto ruotare con una determinata spinta in modo che il campione di terreno risalga nel cilindro. Quando il tratto di perforazione raggiunge la lunghezza del carotiere, quest’ultimo viene riportato in superficie e vuotato. L’estrazione della carota può avvenire per gravità oppure iniettando dell’acqua a pressione attraverso le aste di perforazione, in modo da spingere il campione fuori dal carotiere.

L’esecuzione del sondaggio procede con un fluido di circolazione (acqua o fango), usato per raffreddare il dispositivo e per aumentare sensibilmente la velocità di rotazione. Le pareti del foro saranno sostenute, a seconda delle esigenze, da fluidi di circolazione (acqua, fanghi), da rivestimenti, o tramite la cementazione del foro stesso; la scelta del tipo di sostegno è in funzione dei terreni attraversati.

I campioni estratti dai carotieri (carote) vengono conservati in apposite cassette catalogatrici, ove sono riportati in modo indelebile la località, il numero del sondaggio e della cassetta, e le profondità di riferimento; si ha, inoltre, cura di realizzare una documentazione fotografica delle cassette catalogatrici (fig. 5). Nel corso del sondaggio viene rilevata la stratigrafia del terreno attraversato; in essa compariranno tutti gli elementi relativi ai campionamenti ed alle prove in situ ed una descrizione geotecnica approssimativa dei singoli strati attraversati, oltre alle eventuali note dell’operatore relative a perdite di circolazione, a rifluimenti in colonna, alla percentuale di carota ottenuta, ecc.

Nel corso del sondaggio, se eseguito a semplice circolazione d’acqua, all’inizio e alla fine di ogni turno di lavoro, viene misurato il livello dell’acqua all’interno del foro.

Il prelievo di campioni indisturbati richiede l’utilizzazione di campionatori adeguati ai diversi tipi e situazioni dei terreni. Tali campioni sono, infatti, prelevati mediante l’utilizzo di una "fustella" (fig. 6), costituita da un tubo campionatore che avanza nel terreno per pressione, anziché per rotazione. I campioni devono essere conservati nello stesso tubo o contenitore di prelievo, ripuliti alle estremità, sigillati ermeticamente con paraffina fusa o tappi, devono essere protetti dai raggi del sole, dal gelo e da fonti di calore; devono essere muniti di etichetta in cui siano indicati: designazione del committente, del cantiere e del sondaggio; profondità del prelievo (da/a metri rispetto al p.c.); data di prelievo.

Figura 5. Cassetta catalogatrice.

Figura 6. Campioni indisturbati in fustella.

La qualità dei campioni e, quindi, la loro rappresentatività delle caratteristiche dei terreni in situ, dipende fortemente dal disturbo legato alle modifiche provocate nel terreno dalle operazioni di sondaggio, come la rotazione dell’utensile, e alle modifiche provocate dalle operazioni di infissione e di estrazione del campionatore.

In funzione del grado di disturbo che i campioni presentano, essi sono classificati nelle seguenti classi di qualità:

• Q.1, Q.2, Q.3 = campioni disturbati o rimaneggiati
• Q.4 = campioni a disturbo limitato
• Q.5 = campioni indisturbati

Prove penetrometriche dinamiche

In generale, con le prove penetrometriche viene misurata la resistenza alla penetrazione di un utensile standardizzato nel terreno. Queste prove possono essere distinte in prove statiche (CPT) e prove dinamiche (SPT). Attraverso correlazioni empiriche si può risalire al profilo stratigrafico, alle caratteristiche di resistenza al taglio e alla deformabilità. L’utensile è cavo (SPT) o con punta conica chiusa (SCPT).

Nelle prove penetrometriche dinamiche SPT o Standard Penetration Test, l’utensile è infisso a percussione e il dato misurato è il numero di colpi necessario per ottenere un determinato avanzamento. L’utensile avanza nel terreno sotto i colpi di un maglio di 63,5 kg di peso lasciato cadere da un’altezza di 76 cm. Il penetrometro è a parete grossa e presenta il bordo sagomato a tagliente ed un diametro interno di 35 mm.

Figura 7. Schema di una prova penetrometrica.