Indagini e prove in situ

Indagini e prove in situ

Le indagini in sito hanno lo scopo di fornire informazioni sulla costituzione del sottosuolo dal punto di vista geotecnico e permettere il prelievo dei campioni. Prima di un'indagine è opportuno avere un modello geologico del sito, che ne individua i caratteri litologici, stratigrafici, idrogeologici e geomorfologici. Le indagini devono essere programmate in funzione dell'opera da realizzare e devono riguardare un volume significativo di terreno, cioè quella parte che verrà influenzata dalla costruzione del manufatto.

Scopo delle indagini e prove in sito è quello di determinare la natura e le caratteristiche dei terreni nelle prime decine di metri al di sotto del piano campagna, che di solito sono quelli più importanti per quanto riguarda la progettazione di opere di ingegneria civile (muri di sostegno, opere stradali, gallerie...), la stabilizzazione dei versanti e la coltivazione e ripristino di cave.

Obiettivi delle prove in situ

Una campagna di indagini non può prescindere dalla conoscenza dei luoghi di indagine che si ottiene con un buon rilevamento. Gli obiettivi delle prove in situ sono:

• Ricostruire la stratigrafia dei depositi
• Determinare le caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni
• Ottenere il modello geologico-tecnico

Per ottenere ciò, si ricorre a scavi e/o a perforazione, con il prelievo di campioni da sottoporre a prove di laboratorio. Le prove di laboratorio hanno dei vantaggi, quali la conoscenza completa delle condizioni di prova, lo stato di sollecitazione noto, drenaggio controllato e caratteristiche del provino note; però, hanno anche dei limiti quali il fatto che il volume del provino non è rappresentativo delle condizioni reali, che il campione può essere disturbato e che i costi sono più elevati. Le prove in sito, invece, tra i vantaggi hanno il fatto che la caratterizzazione è continua con la profondità, che il volume significativo è elevato e lo stato tensionale è quello reale. Tra i limiti delle prove in sito ci sono le incerte condizioni di drenaggio e il frequente ricorso alle correlazioni empiriche.

Indagini condotte mediante scavi

Le indagini condotte mediante scavi consistono in:

• Trincee, con scavo a mano o con mezzi meccanici
• Gallerie o cunicoli, con scavo a mano e l'utilizzo di armature di sostegno
• Pozzi

Con gli scavi si ha l'osservazione diretta della struttura del sottosuolo, è possibile individuare i singoli orizzonti, consentono il prelievo anche di grandi campioni e permettono di ricavare le proprietà geotecniche con l'esecuzione di prove in sito. Gli scavi devono essere ispezionabili e in condizioni di sicurezza per tutto il tempo, e per questo si ricorre ad armature di sostegno che contrastano la spinta dei terreni. Finita l'indagine devono essere richiusi, a meno che non diventino un'opera definitiva.

Perforazioni

I campioni che vengono prelevati, in base al loro grado di disturbo, si distinguono in classi di qualità (da Q1 a Q5). Il disturbo consiste nella quantità di informazioni che posso ricavare da un certo campione. Per esempio, un campione di classe Q1 nel quale posso ricavare solo il profilo stratigrafico è un campione molto disturbato. Un campione di classe Q5 nel quale, invece, posso ricavare oltre al profilo anche la composizione granulometrica, il contenuto naturale d’acqua, il peso di unità di volume e le caratteristiche meccaniche (resistenza, deformabilità...) è un campione indisturbato. Ci sono poi tutte le altre classi intermedie.

Perforazioni per fini ingegneristici

Questo tipo di perforazioni sono comunemente detti sondaggi e consistono nella perforazione del sottosuolo tramite diverse tecniche e attrezzature. I sondaggi hanno lo scopo di ricostruire la stratigrafia mediante l’analisi dei campioni estratti, prelevare campioni da cui ricavare proprietà fisiche e meccaniche in laboratorio, rilevare e misurare le acque sotterranee e fare prove in sito per determinare le proprietà geotecniche nella loro sede naturale. Le tecniche di perforazione più comuni si suddividono in:

• Sistema a percussione
• Sistema a rotazione
• Sistema a rotopercussione

Sistema a percussione

La tecnica a percussione è adatta a terreni sciolti o rocce tenere e si può raggiungere una profondità massima di 60 m. L'attrezzatura consiste in un argano e in un traliccio (capra). L'argano avvolge e svolge una fune metallica, che, passando attraverso una carrucola, viene posizionata verticalmente sul punto in cui si farà il foro. Alla fune sono collegati degli utensili che vengono fatti cadere per semplice gravità. Quindi si sfrutta l'azione disgregatrice dell'utensile che determina un movimento verticale alternato, battendo, e quindi disgregando, il terreno. La profondità e il diametro del foro dipendono dal tipo di utensile e dal terreno, ma di norma si arriva a 60 m, con un diametro variabile da 50 a 600 mm. Con questa perforazione disturbo i terreni, perciò otterrò campioni con Q1 o Q2.

Gli utensili sono di vario tipo, e si distinguono:

• Lo scalpello: che si utilizza per attraversare i terreni più resistenti o per frantumare massi di grandi dimensioni ed è dotato di un grande peso. Una volta frantumato il terreno si sostituisce ad un altro strumento come la sonda o la benna.
• La sonda a valvola (o curetta): è quello più comunemente usato, ed è un tubo dotato di una valvola nella parte inferiore, la quale si chiude una volta che lo strumento è infisso nel terreno, trattenendo il materiale al suo interno. Nel caso si utilizza acqua immessa nel foro o proveniente dalla falda, i materiali estratti saranno dilavati con la perdita, quindi, delle frazioni più fini, e un rigonfiamento delle parti coesive.
• Benna: è uno strumento dotato di 2-3 valve che vengono aperte durante la discesa e chiuse una volta entrata nel terreno, prelevando così il materiale, anche di grande dimensioni.

Le pareti dello scavo vengono sostenute da una tubazione di rivestimento, che viene fatta avanzare man mano che si approfondisce, con dei giratubi. Questo tipo di tecnica è economica, prevede semplici operazioni e una ridotta manutenzione, si utilizza poca acqua e le persone addette sono poche, però d’altra parte è una tecnica molto lenta.

Sistema a rotazione

Questo sistema, adatto a tutti i tipi di terreno con possibilità di raggiungere profondità anche superiori ai 1000 m, si distingue in due tipologie in base alla circolazione del fluido.

Nella perforazione a rotazione a distruzione di nucleo a circolazione diretta, si procede a distruzione di nucleo, cioè scavando un foro grazie a uno scalpello rotante, e disgregando il terreno. La rimozione dei detriti avviene grazie alla circolazione del fluido, che nel caso della diretta, viene immesso all’interno della batteria di aste, e risale nell’intercapedine aste-foro, trasportando i detriti. Una volta uscito entra nella vasca di decantazione, dove si depositano i detriti e da lì il fluido viene reimmesso. Come fluido si usa di solito acqua + bentonite. Si possono raggiungere profondità di 400-500 m. Con questo tipo di perforazione posso perforare tutti i tipi di rocce e di solito non è necessario usare dei rivestimenti. Però con la circolazione diretta non è possibile perforare pozzi di grande diametro, in quanto per fare questo dovrei essere in grado di mantenere un'elevata velocità di risalita del fluido. Non ottengo una stratigrafia significativa e c’è la possibilità di contaminazione delle falde dovuto al fluido di perforazione.

Nella perforazione a rotazione a distruzione di nucleo a circolazione inversa, il fluido di perforazione viene immesso attraverso l’intercapedine aste-foro, e risale, invece, attraverso la batteria di aste. Con questo sistema è possibile mantenere una velocità di risalita sufficientemente elevata anche per perforazioni di grande diametro. Infatti, il fluido risale attraverso un tubo di volume noto, per cui è possibile sapere la velocità di risalita. Il fluido consiste di solito in acqua, a cui si aggiunge poi argilla che si incontra durante la perforazione. Le aste di perforazione devono avere un diametro abbastanza grande in modo da permettere la risalita di detriti anche di grandi dimensioni. Se ci sono ciottoli con diametro maggiore di quello delle aste, si accumuleranno nel fondo foro, impedendo il continuo della perforazione. Con questa tipologia non si crea il pannello, cioè un sottile strato di argilla impermeabile al contatto con il foro, in quanto uso acqua. Inoltre, si ottiene una stratigrafia più precisa in quanto si conosce la velocità di risalita del fluido. Però, d’altra parte, questo sistema necessita di molta acqua, grandi vasche per il fluido e grandi costi.

Sistema a rotopercussione

Questo metodo è intermedio tra i due precedenti, ed è adatto ai terreni duri. In questo caso il martello, posto in fondo alla batteria di aste, è dotato di un potere battente, oltre che rotante, aumentando così la disgregazione.

Perforazione a carotaggio continuo

Questo metodo si utilizza per prelevare dei campioni di terreno, infiggendo nel terreno un tubo carotiere, cioè un tubo di acciaio posto all’estremità inferiore della batteria di aste, aste che vengono aggiunte man mano che si approfondisce. Il carotiere è dotato di una corona tagliente, dotata di una corona diamantata o di inserti in widia. L’avanzamento avviene ruotando e spingendo contemporaneamente le aste in superficie grazie a un motore. Il tubo carotiere ha una lunghezza variabile da 60 a 200 cm (la più classica è 150 cm), e un diametro di 10 cm, e si avvita superiormente alle aste e inferiormente ad una corona tagliente. Durante la risalita, la perdita del campione è impedita da un dispositivo. I carotieri possono essere semplici, cioè dotati di una sola parete (i più usati), o doppi, cioè costituiti da due tubi concentrici, dei quali solo quello esterno ruota. Il tubo interno raccoglie il campione, evitando che venga a contatto con la parete rotante e che venga a contatto con i fluidi di circolazione, limitandone il disturbo. La circolazione di fluido può esserci o può anche essere assente. La batteria di aste ha un diametro inferiore rispetto a quello del carotiere, in quanto così gli attriti con il terreno diminuiscono e permettono l’avanzamento.

Perforazioni profonde

Sono perforazioni sempre a distruzione di nucleo, utilizzate per lo più nella ricerca petrolifera. La perforazione è realizzata mediante il movimento rotatorio dell’utensile di perforazione che è posto alla fine della batteria di aste. Il sistema di perforazione è costituito da aste di perforazione di lunghezza variabile (3-6-9 m), un certo numero di aste pesanti poste sopra lo scalpello e un'asta motrice con sezione quadrata o esagonale che poggia su una tavola, detta tavola rotary, che produce un momento torcente grazie a un motore elettrico o idraulico, che si trasmette in tutta la batteria di aste. Per velocizzare il sistema si utilizzano aste molto lunghe e ciò comporta l’avere delle torri, dette derrik, alte anche 10-15 m. In base al tipo di terreno da attraversare si usano scalpelli a lame, a rulli o a diamante. Affinché si abbia l’avanzamento, i detriti devono essere estratti, e ciò si fa con la circolazione diretta. Il fango di perforazione è costituito essenzialmente da acqua e sostanze colloidali, quali di solito argilla bentonitica. In più si possono aggiungere anche degli additivi che servono per appesantire la miscela e renderla più fluida. Il fluido di perforazione ha la funzione principale di rimuovere i detriti prodotti dalla perforazione, raffreddare e lubrificare l’utensile e la batteria di aste, sostenere le pareti del foro, ridurre il fenomeno della decantazione delle particelle in sospensione nel momento in cui interrompo la circolazione del fluido (questo avviene ogni volta che aggiungo un'asta, grazie al fango che ha proprietà tissotropiche, ovvero gelifica quando si interrompe il movimento, tenendo in sospensione i detriti alla profondità a cui erano arrivati risalendo, impedendo così che cadano a fondo foro). Inoltre, il fluido forma il pannello, che deve essere tale da impedire un passaggio di fluidi nel terreno ma essere anche facilmente asportabile. Il fluido mi dà poi informazioni sul materiale perforato (in quanto in superficie vedo cosa ho attraversato) e infine trasmette potenza ai motori che fanno girare lo scalpello. La densità del fluido è importante in quanto con essa è possibile calcolare la pressione esercitata dal fluido a una qualsiasi profondità (h*gamma fluido), e la densità dipende dalla percentuale di bentonite. La viscosità, cioè la resistenza che un fluido oppone allo scorrimento, è importante in quanto è responsabile, insieme alla velocità di risalita (0,5-1 m/s), della capacità di trasportare i detriti all’esterno. Un altro elemento importante è il contenuto in sabbia; all’inizio della perforazione il fluido è privo di sabbia. Successivamente, l’attraversare dei terreni sabbiosi comporta un arricchimento in sabbia. La presenza di sabbia permette di intuire la presenza di livelli porosi, potenzialmente interessanti in quanto potrebbero esserci dei reservoir petroliferi, cioè delle rocce serbatoio che possono contenere idrocarburi.

Il fango viene confezionato in delle vasche, nelle quali si aggiunge bentonite all’acqua ed eventualmente additivi. Dalle vasche il fango viene inviato nel foro attraverso le aste di perforazione, fino allo scalpello da dove esce, per poi risalire nell’intercapedine aste-foro, portando con sé i detriti perforati chiamati cuttings. Una volta che torna in superficie, il fango, viene fatto passare attraverso un vibrovaglio, cioè una piastra meccanica vibrante inclinata che separa i cuttings dal fango. Il fango così filtrato e depurato torna nelle vasche. I cutting sono importanti in quanto mi permettono di avere informazioni sulle rocce attraversate. La profondità di provenienza dei frammenti non è, però, quella raggiunta al momento del loro prelievo; infatti, a questa va tolto l’avanzamento dello scalpello durante il tempo di risalita, il cosiddetto lag time. La velocità di risalita è quindi: V = Va - Vc dove Va è la velocità ascensionale, e Vc è la velocità di caduta. Per avere trasporto Va > Vc, dove Va = Q/A, con A che è lo spazio anulare.

Tipi di fluido di perforazione

I fluidi di perforazione si distinguono in liquidi, gassosi e misti. Per quanto riguarda i liquidi, si distinguono in fanghi a base di acqua, in emulsioni e in fanghi a base di olio. I fluidi liquidi in generale hanno una frazione solida in volume minore di quella liquida, e serve per aumentare la densità del fluido. Quelli a base di acqua si realizzano con argille, perché si idratano facilmente. L’argilla più usata è la montmorillonite, che è la più abbondante in natura. Nel caso in cui, però, si utilizza acqua salata o si devono attraversare depositi di sale, la montmorillonite non è adatta. In questi casi si usa l’attapulgite, un minerale argilloso che riesce a formare un fango a buona viscosità anche in presenza di elevate concentrazioni di Na⁺ o Ca²⁺, i quali neutralizzerebbero le cariche superficiali della montmorillonite inibendo le sue proprietà. La funzione sospendente e viscosizzante data dalla bentonite, può essere fornita anche dai polimeri, cioè da dei composti chimici derivanti dal concatenamento di più molecole semplici, dette monomeri.