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Tipologie di scavi e perforazioni di sondaggio

Classificazione degli scavi

Gli scavi sono classificabili in:

• Pozzi
• Cunicoli
• Trincee

I pozzi sono perforazioni ad asse verticale, a sezione circolare o rettangolare, aventi dimensioni minime di 1.0 ‐ 1.5 m consentendo l'accesso del personale all'interno dello scavo. Hanno una profondità di 10 m dal piano di campagna, e hanno elevati costi dovuti per un adeguato sistema di supporto delle pareti dello scavo.

Le trincee sono scavi tipicamente a sezione rettangolare e trapezoidali, sviluppati lungo una direzione orizzontale. Vengono realizzate con mezzi meccanici ed hanno larghezze tra 1.5‐ 2.0 m e profondità tra 2.0 m ad un 8.0 m.

I cunicoli vengono utilizzati per l'esplorazione orizzontale o sub‐orizzontale, di piccolo diametro (1.5 ‐ 2.0 m) lungo le fondazioni sulle spalle di una diga ad arco, o dei terreni interessati dal tracciato di una galleria di grande diametro.

Perforazioni di sondaggio

Con il termine perforazione di sondaggio si intendono perforazioni a sezione circolare ad asse verticale ‐ con diametro compreso tra 40 : 600 mm e di lunghezza massima di circa 100 metri che vengono realizzati attraverso l’utilizzo di sonde.

Tipologie di perforazioni

• Perforazioni a distruzione: sono perforazioni in cui il terreno viene completamente disgregato. Hanno lo scopo di raggiungere determinate profondità.
• Perforazioni con carotaggio continuo: consentono il recupero di cilindri di terreno detti carote a fine di individuare la stratigrafia del terreno.

I sondaggi con carotaggio continuo sono a loro volta classificabili in:

• Sondaggi geognostici: permettono di definire il profilo stratigrafico e stabilire il regime delle pressioni interstiziali.
• Sondaggi geotecnici: consentono il prelievo di campioni indisturbati per prove in laboratorio e/o l'esecuzione di prove in sito.

Stabilizzazione delle pareti e del fondo foro nei sondaggi

In terreni coesivi molto consistenti, il foro di sondaggio può risultare stabile anche in assenza di qualunque forma di supporto. In tutti gli altri casi, esso tende a richiudersi immediatamente.

Per la stabilizzazione permanente delle pareti del foro è possibile impiegare tubazioni di rivestimento, che vengono inserite per battitura o a pressione man mano che la perforazione procede, ma non hanno alcun effetto stabilizzante sul fondo del foro.

Un altro metodo sono i fanghi bentonitici, che formano un sottile strato impermeabile sulle pareti e sul fondo del foro, “trasformando” le pressioni indotte dal fango in tensioni totali.

Classificazione dei campioni di terreno

L’associazione Geotecnica Italiana (AGI) individua 5 classi di qualità dei campioni di terreno, denominate con i singoli Q1:Q5, in funzione del grado di qualità e del livello di disturbo del provino stesso.

• Q1: sono quelli maggiormente disturbati, non preservano nessuna caratteristica del terreno e consentono il riconoscimento di massima della stratigrafia.
• Q2: risultano essere rimaneggiati, preservano le caratteristiche del terreno e quelle granulometriche e consentono di determinare le caratteristiche fisiche del terreno (granulometria e limiti di Atterberg).
• Q3: oltre alle caratteristiche dei campioni classe Q2, mantengono inalterati i rapporti tra i pesi delle varie fasi conservando inoltre lo stesso contenuto d’acqua.
• Q4: presentano un disturbo limitato e preservano i rapporti tra i volumi delle fasi consentendo di determinare oltre la porosità il grado di saturazione del terreno allo stato naturale.
• Q5: sono classificati come indisturbati in quanto il processo di prelievo non altera le caratteristiche di deformabilità, resistenza e permeabilità, consentendo quindi di caratterizzare le proprietà meccaniche e idrauliche del terreno in sito.

Campionatori per prelievo di campioni da scavi geognostici

Disturbo indotto dalle operazioni di campionamento e fattori che lo provocano

Le principali cause di disturbo derivano dall’esecuzione del sondaggio (prodotto dalla sonda o dall’attrezzo di perforazione), dall’infissione ed estrazione del campionatore e dall’alterazione dello stato tensionale. Ulteriori cause di disturbo derivano dal trasporto e dalla non perfetta conservazione del campione, dalle operazioni di estrusione del campione dalla fustella, dalla cavitazione e ridistribuzione del contenuto in acqua.

Le operazioni di perforazione inducono nel terreno la variazione dello stato tensionale tale da determinare uno stato di deformazione di tipo compressivo e nei terreni coesivi molto teneri da luogo al rifluimento all'interno del foro. A causa dell’infissione invece, le sollecitazioni di compressione e taglio in corrispondenza alla scarpa e gli sforzi di attrito alle pareti dello strumento inducono stati di deformazione che alterano sensibilmente il campione stesso. Inoltre, il prelievo del provino in sé determina una variazione dello stato tensionale a causa dell’estrazione del provino stesso dal sito, che nell'ipotesi di trascurabilità del peso del provino e di comportamento elastico lineare dello scheletro solido, lo stato tensionale in termini di invarianti della tensione è: deltaQ = q‐qo=‐qo dove qo e delt p’ = p’‐po = 1/K*deltaEv=0, in cui deltaq è la variazione di tensione deviatorica e deltap’ è la variazione efficace media.

Nel piano p’‐q è riportata l’alterazione dello stato tensionale prodotta dal prelievo.

Apparecchiatura e modalità di prova penetrometrica dinamica (SPT)

La prova penetrometrica dinamica è eseguita per infissione nel terreno di una punta conica per battitura (realizzando una prova del tipo SCPT) campionatore Raymond a parete grossa realizzando una prova (SPT).

La strumentazione è costituita da una punta, un campionatore e un maglio battente ed è realizzata attraverso l’infissione della punta conica nel terreno per battiture. La resistenza alla penetrazione si esprime mediante la misura del numero di colpi N necessario per ottenere l’avanzamento prefissato. Tali prove sono indicate soprattutto nelle indagini in terreni non coesivi, mentre nei terreni argillosi forniscono risultati poco significativi a causa degli effetti prodotti nel terreno da sollecitazioni di natura dinamica.

Prova CPT

Una punta conica viene infissa nel terreno attraverso una battitura d’aste con velocità costante, misurando la resistenza alla penetrazione. La punta è azionata da una batteria di aste collegate ad un sistema di martinetti idraulici. I martinetti consentono di applicare forze max. di penetrazione di 100 o 200 kN. Lo strumento è inoltre dotato di un manicotto, installato posteriormente alla punta, che misura lo sforzo trasmesso per attrito dal terreno sulla sua superficie laterale (150‐200 cm²).

È una prova eseguita localmente nel sottosuolo (in sito) per il riconoscimento di massima del profilo stratigrafico/litologico (tipologia di terreni) e delle proprietà meccaniche del terreno. È indicata per i terreni sciolti a granulometria fine e media (argille, limi, sabbie, torbe) fino a 30 m di profondità, mentre presenta scarsa attitudine per rocce tenere o alterate (es. rocce piroclastiche recenti, argilla‐marna, tufiti, ecc.) a profondità minori. Uno dei principali vantaggi della CPT è la possibilità di ottenere dei dati (quasi) continui lungo la verticale di indagine, con una sensibilità locale maggiore rispetto ad una prova penetrometrica dinamica continua. Può essere eseguita partendo dalla superficie (con eventuale pre‐foro) o all'interno di un foro di sondaggio geognostico (opportunamente preparato e rivestito). Si distinguono due principali categorie di prova penetrometrica statica: prova con punta meccanica e prova con punta elettrica.

Prova SPT

La prova consente di determinare la resistenza alla penetrazione di un terreno. La prova consiste nella misura del numero di colpi necessario per l’infissione di un campionatore Raymond a parete grossa – del diametro interno di 35 mm, e della lunghezza di 457 mm – per una profondità di 30 cm. A tale fine, il campionatore è collegato ad una batteria di aste di 50 mm di diametro, dotate di anelli centratori per impedire lo svergolamento laterale. Nel corso della prova vengono misurati i numeri di colpi N1, N2 ed N3 necessari per tre successive infissioni di 15 cm. La resistenza alla penetrazione del terreno è caratterizzata dalla somma del numero di colpi per il secondo e terzo avanzamento. Nspt=N2+N3. La prova viene eseguita al fondo di un foro di sondaggio (possibilmente alterando il meno possibile il terreno), scavato in precedenza alla profondità desiderata.

Apparecchiatura e modalità di prova penetrometrica statica (CPT)

Una punta conica viene infissa nel terreno attraverso una battitura d’aste con velocità costante, misurando la resistenza alla penetrazione. La punta è azionata da una batteria di aste collegate ad un sistema di martinetti idraulici. I martinetti consentono di applicare forze max. di penetrazione di 100 o 200 kN. Lo strumento è inoltre dotato di un manicotto, installato posteriormente alla punta, che misura lo sforzo trasmesso per attrito dal terreno sulla sua superficie laterale (150‐200 cm²).

La forza totale che agisce sulla punta qc, è pari allo sforzo applicato alla punta per unità di area della sua sezione retta: Qc=Fp/Ap. e della resistenza laterale fs, pari allo sforzo applicato al manicotto per unità di area della sua superficie laterale: Fs= Fm/Am.

A seconda delle modalità impiegate per la misura della resistenza alla penetrazione, si distinguono tre tipi di penetrometro:

• Il penetrometro a punta meccanica, oltre ai valori delle resistenze di punta qc, determina anche la resistenza di attrito laterale fs.
• Il penetrometro a punta elettrica, nel quale la resistenza di punta e la resistenza laterale vengono misurati direttamente con trasduttori montati alla punta.
• I piezoconi, di tipo Wissa, consentono la misura della pressione interstiziale in sito nella condizione di riposo e delle variazioni di pressione interstiziale indotte nel terreno dalla penetrazione della punta, con il trasduttore di pressione posizionato in corrispondenza della base del cono.

Interpretazione delle prove SPT in terreni non coesivi

Nei terreni non coesivi, le prove SPT forniscono indicazioni riguardo: lo stato di addensamento del terreno, la resistenza a rottura ossia l’angolo d’attrito φ, la deformabilità del terreno mediante il modulo edometrico e il modulo di Young. In particolare, a partire dallo stato tensionale efficace σ′vo e dal numero di colpi necessari per l’avanzamento della punta nello strato di terreno interessato, esistono in letteratura grafici che individuano la relazione tra i diversi parametri:

A parità di stato tensionale, un numero di colpi maggiore corrisponde a un maggior addensamento del terreno. In funzione dell’angolo di attrito, si individua la tipologia di terreno attraversato. Relativamente alla determinazione della rigidezza, è possibile fare ricorso alle correlazioni empiriche riportate in un grafico in funzione di numero di colpi e del tipo di terreno.

Caratterizzazione mediante prove CPT dei terreni coesivi

Oltre a fornire indicazioni sulla stratigrafia del terreno, la prova consiste nel misurare la resistenza alla punta e la resistenza laterale offerta dal terreno durante l’avanzamento della punta. L’individuazione del tipo di terreno attraversato è ricavabile da grafici che mettono in relazione la resistenza alla punta e il rapporto di frizione definito come FR=Fs/qc, dove FR è la resistenza laterale e qc è la resistenza alla punta.

Relativamente alla resistenza non drenata, per analogia con il problema del carico limite di una fondazione superficiale si ha: cu = (9), in cui il parametro Nc dipendente dalla profondità di un terreno assume tipicamente valori compresi tra 10 e 30. In assenza di informazioni più precise, è possibile assumere valori tra 15 e 20. Relativamente al modulo Eu in funzione del grado di sovraconsolidazione, dell’indice di plasticità e della coesione non drenata, è possibile ricavare il valore da correlazioni empiriche: Eu/cu = k(OCR, Ip), in cui il valore di k oscilla tra 600‐1500 per terreni normalmente consolidati, riducendosi all’aumentare del grado di sovraconsolidazione, che può essere individuato stimando lo spessore dei sedimenti asportati dai processi di erosione, risalendo alla massima tensione verticale efficace in sito.

Determinazione del profilo stratigrafico dall'interpretazione delle prove CPT

L’analisi dei risultati di prove CPT consente in primo luogo il riconoscimento litologico dei terreni attraversati e la ricostruzione della successione stratigrafica, fase essenziale e necessaria per ogni ulteriore interpretazione geotecnica.