Opere geotecniche (Fondazioni)

Continuo Lezione 4 Prova CPT

Vantaggio rispetto alla SPT: 1 no foro di sondaggio perché l’apparecchiatura è autoperforante. Il profilo

presenta vari valori. In rosso a sinistra è la Tip Resistance ovvero la forza divisa per la superficie e dunque la

pressione che si sta scaricando sulla punta dello strumento mentre avanza. Alle varie profondità è la

pressione registrata sulla punta dello strumento. Il secondo è lo sforzo tangenziale che si esercita sul

manicotto quindi è la forza registrata dalla cella di carico a tergo del manicotto. Il terzo è una prova CPTU

quindi dotata dello strumento di misura delle pressioni neutre, registriamo le pressioni dell’acqua man mano

che lo strumento avanza nel terreno. Poi il Friction ratio è il rapporto tra la resistenza laterale ovvero lo sleeve

friction fs e la resistenza alla punta qr fatta profondità x profondità. La resistenza alla punta è espressa in

MPA quindi molto maggiore della laterale che è espressa in kPa. Infatti il rapporto è espresso in termini

percentuali. La resistenza laterale è molto più bassa della resistenza alla punta. Come leggiamo questi

diagrammi? Prendiamo il primo. Spesso i diagrammi hanno un andamento alternato, molto sussultorio e

valori assumono resistenze alla punta dell’ordine di svariati Mpa, in un’altra zona le resistenze sono

decisamente più basse, dell’ordine di unità di Mpa, e vediamo anche andamento molto più regolare con

pochi picchi. Questi 2 andamenti sono tipici di terreni diversi. Una delle due categorie è un terreno a grana

grossa a una è un terreno a grana fina. Nella parte superiore andamento sussultorio è tipico di un terreno più

eterogeneo nella sua composizione, la sabbia ha questa prerogativa. La punta è abbastanza piccola, la sabbia

è frutto di deposizioni eterogenee, danno più luogo a eterogenetià e resistenze alla punta più elevate.

Significa che se ho fatto prova CPT (30 m circa 1 h/1.5h mentre per fare un sondaggio di 30 metri occorre

forse una giornata) se guardo il risultato che mi da informazioni sulla composizione terreno, possiamo

pensare alla CPT come un sostitutivo del sondaggio, con la differenza che richiede meno tempo. Questa

sostituzione è vera fino ad un certo punto, può essere di integrazione al sondaggio. Noi in funzione al tipo di

opera prevediamo un certo numero di sondaggi, possiamo sostituire alcuni sondaggi con le CPT più rapide e

meno costose. L’andamento della pressione alla punta e della resistenza laterale è abbastanza simile,

l’andamento delle pressioni neutre è invece diverso. L’incremento maggiore di pressione neutra lo

registriamo nelle argille perché mentre le sabbie dissipano istantaneamente le sovrapressioni neutre che

nascono per effetto della prova, nelle argille questa permane infatti troviamo che le pressioni neutre sono

più alte. Quindi una valutazione della prova ci consente di ricavare l’andamento stratigrafico del terreno.

Esiste una classificazione, diagrammi di Robertson. Diagramma di destra come lo possiamo utilizzare? Prendo

ad esempio nel Tip resistance alla profondità compresa tra 5 e 10 m e ho una resistenza alla punta di circa 3

Mpa, poi vado a vedere il friction Ratio e ho circa 2%. Vado nel grafico di Robertson, mi metto a 3Mpa e 2%

e capito in un terreno di categoria 6, ovvero strato che va da limi sabbiosi a limi argillosi. La suddivisione,

scansione del diagramma ci consente di definire il terreno con notevole continuità. Man mano che da terreno

fino vado a terreno a grana grossa, sale la resistenza alla punta e scende il Friction ratio ovvero scende il

rapporto tra resistenza laterale (aumenta) e resistenza alla punta. Questo diagramma trova riscontro anche

con l’altro diagramma in cui entro con la resistenza alla punta e con il Pore pressure parameter che è il

rapporto tra la sovrapressione neutra e la resistenza alla punta. Attraverso questi diagrammi siamo anche in

grado di fare una ricostruzione molto dettagliata del sottosuolo, quindi di distinguere i diversi strati. Prendo

i risultati della prova, prendo degli strati “omogeni” all’interno dei quali posso considerare i valori piuttosto

costanti e poi prendo le coppie Resistenza alla punta- friction ratio o Resistenza alla punta-porewater

pressure e entro nei diagrammi, posiziono i punti e ricostruisco la stratigrafia del terreno. Ma questo non è

l’unico risultato della prova CPT, perché cos’altro possiamo fare? Possiamo ricavare altre grandezze, una delle

virtù della CPT rispetto alla SPT è che la prova ha un senso anche se la facciamo su terreni a grana fina perché

in realtà il meccanismo di rottura che noi stiamo innescando in questa prova è un meccanismo complessivo

di taglio che chiama in causa un certo volume di terreno. È una prova piuttosto rapida, avanza a 1.2 cm/s

quindi non da il tempo al terreno di drenare quindi la caratteristica di resistenza del terreno che stiamo

mobilitando è una caratteristica non drenata, infatti viene tipicamente correlata alla resistenza a taglio non

drenata (coesione non drenata). La letteratura ci suggerisce di stimare il valore della coesione non drenata

del terreno attraverso la formula Su dove compare qc che è la resistenza alla punta della CPT, sigma v zero è

la tensione totale agente alla profondità di esecuzione della prova, che cambia punto per punto, e questo Nk

coefficiente che viene indicato come un valore che varia tra 15 e 25 ( di solito prendiamo 20). In maniera più

raffinata possiamo correlare la fascia 15 -25 noto qc ricaviamo la coesione non drenata prendendo la

pendenza di una di queste rette. Lunne e Eide hanno stimato i valori di Nk, attraverso una serie di varie prove

cpt in vari terreni, prelevati campioni indisturbati a varie profondità e hanno fatto un confronto tra la

coesione non drenata valutata in Lab sul campione e la resistenza alla punta da cpt e hanno costruito

sperimentalmente questa relazione e dunque hanno trovato per i vari terreni l’Nk. Presi Nk li hanno riportati

in funzione dell’indice di plasticità del terreno specifico, ogni retta è riferita ad un terreno con un suo indice

di plasticità e hanno trovato correlazione tra Nk e l’indice di plasticità del terreno. Possiamo quindi,

considerando che stiamo lavorando su terreni a grana fina, per cui facciamo sempre almeno un sondaggio a

carotaggio continuo (poi possiamo integrare con delle prove cpt), abbiamo preso un campione abbiamo

valutato l’indice di plasticità, conosciamo Nk, prendiamo ora la prova cpt quindi il qc in funzione della

profondità conosciamo il sigma vzero (gama z) e ci possiamo stimare il valore della coesione non drenata del

terreno. Questo per quanto riguarda i terreni a grana fina… se invece attraversiamo terreni a grana grossa,

possiamo utilizzare il risultato della cpt analogamente a quanto facevamo con il risultato della prova spt. A

destra (Gibbs e holtz) ascisse resistenza alla punta della prova CPT e tensione verticale efficace sulle ordinate.

Prendo il risultato della prova e lo vado a diagrammare sulla figura, verrà un profilo che mi consente per un

terreno a grana grossa di stimare la densità relativa del terreno. (vedi definizione sul quaderno) Nota Dr entro

nel diagramma a destra e in funzione del terreno che sto attraversando trovo una stima dell’angolo d’attrito.

La CPT è sicuramente una prova completa, mi restituisce un profilo e non un valore puntuale, un esame

completo della stratigrafia stimando inoltre le caratteristiche meccaniche del terreno. Il limite di queste

prove è che non sempre si riesce ad eseguirle, ovvero che alle volte non riesco a far penetrare la punta e

questo avviene tipicamente o se abbiamo terreni ghiaiosi, grossolani (non funziona molto in terreni

particolarmente resistenti) e infatti non funziona neanche se ho argille particolarmente sovraconsolidate (

coesione non drenata molto forte) che hanno subito una storia tensionale molto forte e sono quindi molto

compresse, consistenza elevata. Ma dove invece è possibile, questa prova è sicuramente da favorire perché

risultati molto buoni. È possibile passare (a volte conviene farlo) dai risultati cpt a risultati spt utilizzando

diagramma Fig. 3-23 dove in funzione del diametro medio dei grani del terreno ho rapporto tra la resistenza

qc (kpa)e la resistenza della prova spt (come numero di colpi). Questo si usa quando ho i risultati di una prova

e voglio usare dei metodi che invece si basano sui risultati dell’altra prova.

In generale ci ricordiamo che il nostro scopo è costruire il modello geotecnico di sottosuolo, che non è fine a

se stesso ma è funzionale alle diverse fasi progettuali dell’opera. I modelli possono essere più vaghi se

parliamo di studio di fattibilità, poi i modelli devono essere via via più raffinati nelle altre fasi progettuali

perché i quesiti progettuali si fanno più dettagliati. C’è poi la fase dei controlli in corso d’opera, dove pure si

attuano delle indagini in situ in vari contesti, uno di questi è la verifica delle condizioni progettuali perché

quando si va in corso d’opera si passa all’impresa esecutrice che si vuole tutelare e verificare che ciò che c’è

in progetto è conforme alla realtà altrimenti potrebbe realizzare opera con costi maggiori di quelli previsti.

Questo tanto più quando in certi casi le norme di affidamento degli appalti prevedono che l’impresa

intervenga anche nella fase progettuale. Quello che guida le esecuzioni delle indagini è la normativa che ci

dice quali sono le caratteristiche che deve avere il modello geotecnico di sottosuolo (schematizzazione),

dobbiamo attribuire dei valori caratteristici e la normativa ci dice che questi valori devono intendersi come

una stima cautelativa e ponderata dei parametri, demandando al progettista la scelta di questi parametri e

inoltre dice che il progettista è il responsabile del piano di indagine e della caratterizzazione geotecnica.

Chiaramente le indagini non solo le stesse per tutti i tipi di opere, ci riferiamo alle 3 categorie degli euro-

codici, salendo di categoria si sale non solo di numerosità ma anche la complessità, il dettaglio delle

informazioni. In alcuni casi non possiamo accontentarci di modelli semplificati. Il livello sale in relazione al

concetto di rischio, maggiore è il rischio ovvero maggiore è l’impatto dell’opera. Il dettaglio si raggiunge sia

dotandosi di strumenti di analisi più dettagliati (modelli numerici) sia aumentando il livello delle indagini. Ci

occuperemo delle opere di categoria 2. Altro aspetto importante è la densità delle indagini perché una volta

definito il volume bisogna scegliere se indagarlo con 1 o n indagini. Per definire il numero minimo di indagini

entra in gioco nuovamente il concetto di rischio, ovvero l’importanza dell’opera in termini di beni economici

esposti e di vite umane, vulnerabilità dell’opera. Un altro aspetto essenziale che concorre alla definizione del

numero di indagini è l’eterogeneità del sottosuolo, se siamo in condizioni di caoticità, bisogna andare a

spingere il dettaglio delle indagini.

Lo strumento principe per le indagini del sottosuolo è il sondaggio a carotaggio continuo che consiste nel

perforare e prelevare carote che ci consento di fare valutazione della composizione del terreno. Infatti noi

dobbiamo sempre fare almeno un sondaggio a carotaggio continuo, per avere una visione diretta del terreno.

I risultati vengono riportati nelle stratigrafie. Le prove SPT e CPT hanno in comune il fatto che con esse

andiamo a misurare la resistenza del terreno alla penetrazione.

Lezione 6 Dilatometro

Le prove penetometriche sono quelle fatte nella maggior parte dei casi rispetto a queste altre. È associata al

nome del suo inventore, prova dilatometrica di Marchetti, è composto di varie componenti : c’è una

centralina che serve a controllare e misurare i valori di alcune pressioni, oltre che altre grandezze. Prima di

questa ci sono delle sorgenti di pressione del gas, c’è una bombola di gas che alimenta il sistema che serve a

dare pressione. Poi c’è un sistema di adduzione, il gas viene portato allo strumento, è un cavo elettro-

penumatico cioè che oltre a convogliare il gas in pressione convoglia un segnale elettrico che torna alla

centralina. Poi c’è un sistema di aste, questo strumento è auto-perforante, un po' come la CPT,, c’è un sistema

di martinetti che serve a spingere lo strumento alle varie profondità. In questa batteria passa anche il cavo

elettropneumatico. L’apparecchio centrale è la lama dilatometrica, la particolarità di tale strumento è che ha

in sezione trasversale, la forma di una lama e ciò è legato al fatto che questo strumento deve essere infisso

nel terreno a pressione, facendo in modo che si abbia il minimo disturbo del terreno e si favorisca al massimo

il contatto tra il terreno e questa parte centrale dello strumento dove c’è un una membrana metallica di

metallo sottile che viene azionata con la pressione. Vedi dimensioni dello strumento sulle slide. Come

funziona la prova? Immagino un asse con la pressione interna sulle x, perché il gas viene convogliato nella

camera a tergo della membrana e quando si aumenta la pressione del gas nella camera, la membrana tenderà

a dilatarsi verso l’esterno dove però incontrerà il terreno. Aumentando la pressione del gas della camera ad

un certo punto si avrà un primo distacco della membrana che comincia a deformarsi, aumentiamo ancora la

pressione del gas, quando la pressione sarà tale da aver fatto estrudere la membrana di 1.1mm il sistema

elettrico registrerà un contatto, ovvero la centralina attraverso un segnale registra la pressione a cui si è

avuto questo contatto, cioè la pressione che corrisponde all’estrusione della membrana di 1.1mm. I risultati

della prova sono banalmente i valori delle pressioni che corrispondono al primo distacco della membrana e

al secondo che sarà quando la membrana è estrusa di 1.1mm. Dopo questo si decresce la pressione e si porta

lo strumento ad un’altra profondità, si scende di 20cm e si fa un’altra prova (il vantaggio è che lo strumento

è auto-perforante). I vari valori delle grandezze, che sono la pressione iniziale e finale, vengono convertiti

attraverso delle relazioni in 2 pressioni che potremmo dire pressioni limite. Po è la pressione alla quale la

membrana comincia a incontrare la resistenza del terreno e la P1 che è quella a cui la membrana si stacca

significativamente, entrando nel terreno. Cosa ci facciamo con questi valori? I fattori correttivi che vediamo

nelle formule servono a tener conto della rigidezza dello strumento, cioè le grandezze misurate vengono

manipolate attraverso delle costanti. Si possono ottenere da questi valori tutta una serie di parametri che

sono: l’indice di spinta orizzontale Kd, il modulo dilatometrico, e l’indice di materiale. L’indice di materiale

viene tipicamente interpretato con una figura del tipo asse x valori dell’indice di materiale, ordinate

profondità. In rosso, giallo e verde sono indicate le classi di valori dell’indice di materiale riferite alle tipologie

di materiale. Ovvero se ho valori che rientrano nel campo verde avrò terreni sabbiosi, con indice di materiali

compresi tra 1.8 e 10, se invece ho valori tra 0.6 e 1.8 ho i limi, al di sotto di 0.6 ho le argille. Quindi una prima

cosa che possiamo fare con questa apparecchiatura è capire la stratigrafia dei terreni attraversati, un po'

come avviene per la CPT. Insieme a questo possiamo ricavare tutta una serie di altri parametri, sia fisici che

meccanici. Ad esempio l’OCR o il coefficiente di spinta Ko, una stima della coesione non drenata attraverso il

valore del Kd(coefficiente di spinta a riposo), stima dei parametri di deformabilità (es il modulo verticale

drenato confinato, una sorta di modulo edometrico). Questo per terreni coesivi ma analogamente si può fare

per terreni incoerenti come peso per unità di volume, densità relativa, il grado di sovra-consolidazione,

angolo d’attrito. Può succedere che si debbano incrociare i dati della prova con dilatometro con quelli

ottenuti da CPT. Quadro delle varie correlazioni in sintesi. Un’altra applicazione del dilatometro. Gli strumenti

auto-perforanti, ad esempio la prova CPT, possono essere utilizzati con la funzione di portare a profondità

dei particolari strumenti (geofoni)che percepiscono le onde meccaniche che si propagano nel terreno. Il

principio di queste prove è quello di avere il dilatometro auto-perforante che è arrivato ad una certa

profondità e immagino che sulla batteria di aste di tale dilatometro ho posto 2 geofoni a 2 diverse profondità,

z1 e z2, che conosco. Immagino di mettere al pc. Una massa metallica sulla quale batto con un martello,

genero delle onde meccaniche che possono essere di compressione o di taglio, queste si propagano nel

terreno. Quelle di compressione non sono molto diverse dalle onde sonore. La velocità di propagazione delle

onde meccaniche in un mezzo si correla molto bene con le caratteristiche di rigidezza del mezzo, più il mezzo

è rigido tanto più è rapida la propagazione delle onde nel mezzo. Go (modulo di rigidezza a taglio del terreno)

è proporzionale alla densità del mezzo per la velocità Vs di propagazione delle onde al quadrato, quindi

misurando la velocità di propagazione siamo in grado di ricostruire il Go del terreno. Questo ha importante

finalità dal punto di vista delle analisi sismiche. Sono stati correlati i valori del modulo di rigidezza ricavato da

queste prove con i valori dei moduli di rigidezza dilatometrici e in particolare il cofficiente Kd, l’utilità di

queste relazioni è di utilizzare per i diversi tipi di terreno i valori di Kd e del modulo dilatometrico da prov