caratterizzazione geotecnica

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 16/03/2010 Estensione delle indagini geotecniche 1

Lez. 16/03/2010

Caratterizzazione geotecnica I modelli geotecnici devono essere dedotti da prove e indagini Relazione geotecnica.

La Normativa italiana NTC ’08, § 6.1.2, distingue relazioni geologiche da relazioni geotecniche!

- La relazione geotecnica, che consta anche di una parte di calcolo, è di esclusiva competenza del progettista.

- La relazione geologica (anch’essa richiesta in alcune opere) classifica i terreni in base a criteri storici,

ed è redatta a scale molto più piccole di quelle d’interesse per i normali progetti d’ingegneria (da 1

25000

a 1

50000 ).

Il modello geotecnico del sottosuolo, che viene invece redatto a scale molto più grandi, opera una idealizzazione schematica della realtà, cercando di preservare le caratteristiche meccaniche reali al meglio è una sintesi razionale.

Il dettaglio delle indagini geotecnica va commisurato all’opera, secondo criteri di buon senso (ancor prima che seguendo le prescrizioni normative).

Le informazioni ricavate da indagini e sondaggi vanno considerate sulla base del tipo di fondazione da realizzare.

Estensione delle indagini geotecniche

N. B. I limiti indicati sono poco cautelativi, si consiglia di considerare i valori superiori o addirittura maggiorarli di circa il 50%.

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 16/03/2010 Tipologia delle indagini geotecniche 2

Le indagini si programmano considerando una certa soluzione progettuale; ma in base ai dati ottenuti si può ritenere necessario cambiare tipo di fondazione importanza di una corretta ed adeguatamente estesa caratterizzazione geotecnica.

Tipologia delle indagini geotecniche

I mezzi d’indagine dipendono dalla tipologia del terreno e dall’informazione che si vuole ottenere. Si possono definire fondamentalmente tre diversi tipi di informazioni ottenibili:

1. Definizione della stratigrafia: a. Indagini dirette tramite esplorazione di più verticali:

i. Carotaggi: nell’ambito dei sondaggi, consentono di osservare direttamente il materiale presente lungo la verticale; a differenza dei campioni indisturbati, che possono essere prelevati solo in terreni coesivi, le carote possono essere estratte anche per sabbia e ghiaia. L’esplorazione di una verticale può estendersi anche per oltre 50 metri, mentre le singole carote non possono essere più lunghe di pochi metri: si prelevano numerose carote, correlando ciascuna di esse con l’informazione di quota, e le si raccoglie in apposite cassette;

ii. Trincee: si riservano a indagini di limitata profondità (< 10 m), quali quelle delle frane; perciò sono poco usate nell’ambito del progetto delle fondazioni;

iii. Pozzi: non sono altro che fori simili a quelli di sondaggio, ma di dimensioni opportunamente maggiori, tali da consentire l’inserimento di videocamere atte a riprendere immagini del terreno;

iv. Cunicoli in avanzamento: fori effettuati in orizzontale, lungo la direzione dell’opera da realizzare (solitamente per opere quali gallerie o affini);

b. Indagini indirette (ossia indagini geofisiche quali quelle sismiche, geoelettriche, resistive) i. Le indagini indirette vanno viste come eventuale complemento alle indagini

dirette, quando le prime si rivelino non sufficienti. Il principale problema delle indagini indirette è dato dalla difficoltà di interpretazione: spesso forniscono indicazioni opposte a quelle ottenute dalle prove dirette! Un esempio in cui possono essere utili, in affiancamento alle indagini dirette, è la determinazione di cavità carsiche.

2. Misura della pressione interstiziale (o dell’altezza piezometrica): a. Piezometri, celle piezometriche o mezzi affini: saranno trattati più avanti; per ora basti

ricordare che nei terreni coesivi è molto importante essere consapevoli del tempo di risposta, può essere molto lento e quindi portare a risultati fuorvianti se non giustamente considerato.

3. Determinazione delle proprietà meccaniche: a. Indagini in situ, spesso sono l’unico mezzo di indagine, come nel caso dei terreni

incoerenti: i. Prove penetrometriche dinamiche, SPT o SCPT (rispettivamente Standard

Penetration Test e Standard Cone Penetration Test) ii. Prove penetrometriche statiche, CPT o CPTU (rispettivamente Cone Penetration

Test e Cone Penetration Test Undrained);

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 16/03/2010 Profilo stratigrafico 3

b. Prove di laboratorio: i. Prove di deformabilità (tra le quali si annovera principalmente la prova di

compressibilità, o edometrica): ricorda che sono prove che non portano il provino a rottura: si utilizzano infatti principalmente nel calcolo dei cedimenti;

ii. Prove di resistenza al taglio, lungo percorsi che portano a rottura: 1. Prove triassiali:

a. TxUU Non consolidata, non drenata per determinare cu; b. TxCU Consolidata, non drenata per determinare φ’ e c’; c. TxCD Consolidata, drenata per determinare φ’ e c’;

2. Prove di taglio diretto; 3. Cicli a fatica delle prove triassiali o di taglio diretto (non trattate in questa

sede); iii. Prove non convenzionali (quali quelle in centrifuga, per simulare, mediante

l’accelerazione indotta dalla rotazione, le condizioni di tensione efficace presenti in situ, che nei modelli in scala sono ovviamente alterate);

iv. Prove sulle opere (quali ad esempio le prove di carico su pali: trattate nell’ultimo capitolo di C. Viggiani, Fondazioni).

Profilo stratigrafico

Un tipico profilo stratigrafico risultante da un sondaggio appare come nella figura che segue:

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 16/03/2010 Modello geotecnico 4

La simbologia usata per indicare il tipo di terreno o di apparecchio di misura sono codificate: una fonte affidabile è costituita dalle raccomandazioni AGI (Associazione Geotecnica Italiana) 1977.

Indicazioni per i materiali:

Nella prima fase del sondaggio, la descrizione è qualitativa (“da geologo”): basata su colore o su proprietà che, in generale, non sono direttamente riconducibili a caratteristiche meccaniche, che sono quelle di interesse per il modello geotecnico, che verrà elaborato sulla base del sondaggio e delle prove.

Modello geotecnico

La suddivisione in strati effettuata a partire dalle carote è spesso molto fitta: nel modello geotecnico se ne farà una sintesi razionale, accomunando strati simili o trascurando strati molto sottili che sono inseriti nel contesto di uno strato diverso, ma di spessore molto più consistente.

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 16/03/2010 Modello geotecnico 5

È importante che nel sondaggio siano presenti dati topografici, di natura planimetrica (anche approssimativi) e soprattutto altimetrica (le quote vanno riportate con precisione maggiore, per poter correlare altre verticali indagate nelle vicinanze).

Quando in una campagna di indagini sono stati effettuati più sondaggi, e si vogliono correlare i dati che ragionevolmente corrispondono a uno stesso strato in due verticali contigue, bisogna tracciare sempre segmenti di retta, mai curve (per la descrizione delle quali occorrerebbero altri dati, che invece non sono disponibili).

Se nel sondaggio sono stati prelevati campioni indisturbati, tale operazione viene indicata in un’apposita colonna, e vengono segnalate la profondità di inizio e la profondità di fine del prelievo.

Per i campioni indisturbati è importante indicare il limite liquido (LL), il limite plastico (LP) e, soprattutto, il contenuto naturale d’acqua; tale informazione è anche un’utile indicazione preliminare sulla consistenza di un’argilla: più il contenuto naturale d’acqua è prossimo al LL, minore sarà la consistenza dello strato.

LP

contenuto naturale d’acqua

LL

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 22/03/2010 Tecniche di esecuzione dei sondaggi 6

Lez. 22/03/2010

Tecniche di esecuzione dei sondaggi

Sonda a percussione

Diffusa soprattutto in passato, oggi il suo uso è limitato al superamento di strati molto consistenti (ad es. lapidei).

Il carotiere viene sollevato fino a una altezza predefinita, e viene lasciato cadere, provocando così l’infissione dello stesso; all’estremità inferiore del carotiere è posta una valvola che si chiude automaticamente con l’infissione, permettendo il sollevamento del cilindro e del terreno che in esso è penetrato.


Sonda a rotazione

Costituita da un supporto, solitamente semovente (“un camioncino”) e cingolato per raggiungere agevolmente zone non asfaltate, il cui motore fornisce anche l’energia per l’infissione e la rotazione del cilindro.

L’apparecchio consta di un sistema di aste al quale è collegato il carotiere, che deve riempirsi di terreno ed essere estratto. Poiché ogni carotaggio interessa circa 2 m, il sistema viene “resettato” dopo ogni step: il carotiere viene svuotato, vengono aggiunte altre aste che permettono il raggiungimento di una profondità maggiore rispetto allo step precedente, viene nuovamente calato e infisso.

In alcuni modelli di sonda a rotazione è possibile passare a un meccanismo percussivo per superare strati di consistenza troppo elevata per una sonda a rotazione.

L’operazione è di solito svolta con circolazione continua di acqua, per facilitare l’esecuzione; il fluido viene pompato dall’interno del sistema di aste, per poi refluire all’esterno del foro; è evidente, tuttavia, che tale operazione aumenta il grado di disturbo della carota estratta, che già di per sé è elevato; è inoltre importante considerare la presenza disturbante di acqua pompata nel sistema, se si vuole individuare il livello di falda durante il sondaggio. Tale problema è accentuato nei terreni coesivi.


È importante prevenire il collasso del foro. Se il terreno attraversato non offre una coesione sufficiente, il foro va rivestito, contestualmente all’infissione, con tubi di acciaio di diametro congruo, avvitati tra loro e rimossi alla fine del sondaggio (a meno che non si prevedano particolari esigenze future di controllo del foro: in tal caso i rivestimenti da posizionare sono in PVC, e sono permanenti). Se necessario, i tubi di rivestimento vengono ingrassati per evitare che si incastrino.

L’esecuzione del sondaggio prevede numerose fasi che si susseguono con ordine:

- Calare il sistema di aste con il carotiere; - Controllare con delle leve la modalità di infissione (in questa operazione sono molto

importanti la sensibilità, l’esperienza e l’attenzione dell’operatore); - Valutare la necessità di rivestimento del foro; - Estrarre il carotiere con il terreno; - Avvitare le aste aggiuntive al sistema; - Ricominciare.

La punta può anche non essere un carotiere, e l’operazione in tal caso procede a distruzione di nucleo;

- Trivella: restituisce in modo abbastanza disturbato la successione stratigrafica. - Scalpello a rotazione; - Tricorno.

Tali tecniche si usano se è necessario solo raggiungere una determinata profondità per installare uno strumento di misura, e non interessa recuperare la successione stratigrafica. Sono solitamente molto più economiche di un sondaggio.

Talvolta si usano perforatori a distruzione di nucleo anche nell’ambito di un sondaggio: quando, ad esempio, si rinvengono inclusioni rocciose (trovanti) in strati di terreno più tenero, e interessa soltanto superare lo strato lapideo, che è una singolarità in un sistema composto da altro materiale.

Carotiere semplice

Cilindro cavo, di lunghezza compresa tra 2,5 m e 3 m.

Si applica alla carota un momento torcente per attrito sulla superficie interna (generando così una rottura per torsione). Si può usare per prelevare campioni di rilevante lunghezza per ogni step di infissione, soprattutto in terreni coesivi poco consistenti. Ciò è importante ad esempio nelle operazioni che avvengono in mare, che necessitano di tempi brevi.

La corona tagliente facilita l’infissione, ma il sistema nel suo complesso introduce un disturbo notevole nel terreno da prelevare: esso viene sottoposto a torsione, compressione, è penetrato da un cilindro metallico di spessore notevole (se fosse più sottile si deformerebbe durante l’infissione).

Tutto ciò rende le carote prelevate difficilmente utilizzabili per condurre prove meccaniche; ci si limita quindi a determinare le proprietà indice del materiale.


Carotiere doppio

Usato per terreni consistenti, è composto da due tubi concentrici, il più interno dei quali termina con una “scarpa” tagliente, più avanzata rispetto al tubo esterno; la punta, di spessore ridotto rispetto tubo esterno, penetra per prima nel terreno, inducendo un disturbo relativamente ridotto nel campione prelevato.

Il disturbo è quindi minore rispetto a quello riscontrabile nei campioni del carotiere semplice, ma ancora troppo elevato per i requisiti delle prove in laboratorio.

Problemi di stabilità dei fori

Disegnando un foro in sezione è evidente come, a una qualsiasi profondità, agisca una tensione orizzontale pari alla tensione verticale efficace moltiplicata per il coefficiente di spinta attiva k.

Tale spinta orizzontale non è equilibrata in alcun modo, e può provocare il collasso del foro, a seconda della profondità.

N.B. Se ci si trova sotto falda, o se si immagina di riempire il foro d’acqua, il collasso non viene evitato, perché la spinta dell’acqua viene equilibrata, ma la spinta attiva del terreno, dovuta alle tensioni efficaci, resta invariata.

Fanghi bentonitici

Costituiti da acqua e bentonite. Quest’ultima ha un comportamento tixotropico (tale che la sua viscosità sia bassa quando soggetto a un campo di spostamento rilevante, e aumenti al rallentare dello spostamento, fino a raggiungere consistenza di solido quando il fango si trovi in quiete).

Inventati e brevettati in Italia per l’industria petrolifera, che aveva necessità di sostenere trivellazioni profonde anche svariati km, vengono utilizzati nella realizzazione di scavi in ambito geotecnico per stabilizzare fori di rilevante profondità - tali da rendere poco conveniente o addirittura inattuabile un sostegno con tubi metallici o in PVC.

σ’n=k σ’v


Si immette nel foro una miscela bentonitica, unita a una certa percentuale di materiale pesante, in un sistema studiato per forzare una filtrazione dal foro verso il terreno: a causa della tixotropia del fango, nelle fasi iniziali di filtrazione relativamente rapida (ipotizzando un terreno incoerente) la miscela si mantiene liquida. Al raggiungimento dell’equilibrio, sarà presente una “patina” molto poco permeabile intorno al foro, sulla quale si esercita la spinta attiva del terreno.

La miscela e l’altezza necessaria del pelo libero della miscela viene calcolata secondo l’equilibrio alle forze orizzontali riportato in figura; si noti che γf è il peso dell’unità di volume di fango appesantito. “A destra” è presente la tensione efficace del terreno maggiorata della pressione dell’acqua, “a sinistra” la tensione dovuta al fango.

Talvolta si rende necessario posizionare contenitori per il fango fino a un livello superiore a quello del piano campagna, per ottenere la filtrazione desiderata.

Sifonamento nei sondaggi

Avendo sostenuto un foro sulle sue pareti, ma non sul fondo, potrebbe generarsi un meccanismo di sifonamento (wiki: fenomeno

provocato da una risalita verticale di fluido in un suolo che non è in

grado di opporsi a tale spinta), qualora la differenza tra i livelli di falda nel terreno e nel foro fosse sufficientemente alto da provocare un gradiente idraulico che annulli la tensione verticale efficace. È un fenomeno frequente nel caso di terreni sabbiosi.

Il sifonamento avviene per 𝑖𝑖 > 𝑖𝑖𝑐𝑐 , dove

𝑖𝑖𝑐𝑐 = 𝛾𝛾𝑏𝑏𝛾𝛾𝑤𝑤

.

Per prevenire tale problema si possono utilizzare i fanghi bentonitici, che provvedono a proteggere anche il fondo, durante l’avanzamento della perforazione.

Classi di qualità dei campioni

Nella figura accanto, si può avere una indicazione (piuttosto ottimistica) di quali parametri possano essere determinati a partire da campioni di maggiore o minore qualità.

Con un carotiere si raggiunge Q.3 e, contrariamente a quanto riportato in tabella, tale classe non consente neanche di determinare il contenuto d’acqua naturale.

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 22/03/2010 Campionamento 11

Campionamento

Per poter conoscere parametri quali contenuto d’acqua, peso dell’unità di volume e, soprattutto, le caratteristiche meccaniche, bisogna ottenere campioni che vengono definiti indisturbati (classe Q.5). A tale scopo, i carotieri fin qui visti non sono adatti, e bisogna ricorrere a strumenti pensati appositamente per minimizzare gli effetti di disturbo – sostanzialmente compressione e scarico, mediante opportuni rapporti spessore/diametro: i campionatori.

Nota: È importante notare la differenza tra carote e campioni riguardo la preservazione del contenuto d’acqua naturale: le carote vengono immagazzinate in cassette che vengono chiuse, ma non sigillate. Il contenuto d’acqua delle carote va quindi perso nell’arco di poche ore o, al massimo, pochi giorni. Nei campioni indisturbati ciò non può avvenire: si procede, dunque, a sigillare i campioni non appena sono stati prelevati.

Campionamento da scavi

È una tecnica non molto diffusa, perché limitata ai casi in cui si eseguono scavi (ad esempio nelle indagini su movimenti di frana).

Una volta realizzata la trincea e raggiunta la quota di interesse, si infigge il campionatore, preferibilmente con un contrasto e una vite senza fine, per poter regolare la velocità di infissione; possono usarsi campionatori standard, oppure realizzare nuovi modelli ad hoc per il problema da affrontare.

Può essere realizzato anche un campionamento in orizzontale, ad esempio su fronti di cava. In questo caso è necessario un contrasto.

Campionamento in foro (da sondaggio)

Durante l’esecuzione del sondaggio, raggiunta la profondità alla quale si desidera prelevare il campione, il carotiere viene sostituito da un campionatore.

Il campionatore Shelby (o a tubo aperto), di solito lungo 60 cm, è dotato di pareti sottili e taglienti alle estremità. Il suo diametro è di 10 cm, e permette di ottenere campioni Q.5 in terreni coesivi poco consistenti; se il terreno è molto coesivo, il disturbo indotto dal campionamento è eccessivo.

N.B. Il cilindro prelevato dal campionatore, di diametro 10 cm e lunghezza 60 cm, non viene utilizzato direttamente per le prove meccaniche, ma sottoposto a ulteriore selezione: si utilizza infatti solo il “cuore” del cilindro, perché il disturbo sia realmente minimo.

Il campionatore Osterberg (o a pistone a pressione idraulica) è dotato di un pistone, governato da acqua in pressione, e di una scarpa tagliente in avanzamento. Il controllo idraulico permette una operazione più lenta e, di conseguenza, un minor disturbo. Adatto, come lo Shelby, a depositi non molto consistenti, dai quali riesce a prelevare campioni di qualità elevata (classe Q.5).

Il campionatore a rotazione Denison è dotato di una parete esterna che ruota e disgrega il terreno immediatamente superiore a quello da prelevare; il campionamento avviene ad opera della scarpa interna, che viene infissa senza rotazione, in avanzamento rispetto alla parete rotante. È adatto ad ottenere campioni di classe Q.5 in terreni coesivi molto consistenti.


Il campionatore a rotazione Mazier, infine, è simile al Denison, ma è inoltre dotato di una molla di spinta, per rendere più continua l’operazione di prelievo e, come sempre, minimizzare il disturbo.

Campionatore Shelby

Campionatore Osterberg


Campionatore Denison


Campionatore Mazier

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 23/03/2010 Prove penetrometriche 15

Lez. 23/03/2010

Prove penetrometriche

Si tratta di prove in situ e, come tali, interessano volumi di terreno maggiori di quelli esaminati in laboratorio. Restituiscono inoltre un’informazione (somma di più risultati puntuali o addirittura continua lungo la verticale) che si estende su tutta la profondità indagata, mentre le prove in laboratorio interpretano il comportamento dello strato alla sola profondità di provenienza del campione.

I risultati delle prove penetrometriche sono di solito affiancati e interpretati contestualmente a un sondaggio eseguito in adiacenza (o comunque nell’ambito dello stesso sito), per correlare le informazioni stratigrafiche di quest’ultimo con i risultati di resistenza meccanica della prova.

Prove penetrometriche dinamiche (SPT, SCPT)

Sono prove di natura empirica, si effettuano solo nei terreni incoerenti (sabbie e ghiaie) e hanno ragione di essere solo quando siano eseguite secondo modalità standardizzate: l’unico set di informazioni di riferimento che permette di ottenere risultati affidabili in termini di caratteristiche meccaniche è dato dall’esperienza pregressa, ossia dalle numerose prove eseguite sotto le stesse condizioni in passato.

La prova va effettuata nell’ambito di un foro di sondaggio, non direttamente sul terreno, e consiste nel contare i colpi necessari a infiggere per tre volte il campionatore Raymond di 15 cm (gli uni successivi agli altri). I numeri ottenuti si definiscono come segue

15 cm 15 cm 15 cm

N1 N3 N3

NSPT

Questo numero viene poi correlato a uno o più parametri meccanici grazie a formule o abachi calibrati su prove effettuate in terreni di composizione e consistenza completamente note.

Prova SPT (Standard Penetration Test)

La modalità di esecuzione di questa prova trae origine dai sondaggi a percussione. Essendo effettuata nell’ambito di un sondaggio, una volta raggiunta la profondità di interesse occorre smontare l’apparecchio per la perforazione, montare il campionatore standard ed eseguire la prova.

Il set per la prova SPT consiste in un maglio di dimensione e peso noti (detto “Campionatore Raymond”, anche se oggi lo si definirebbe “carotiere”, date le sue caratteristiche), che viene sollevato fino a una distanza prefissata, e lasciato cadere per il numero di volte necessario ad infiggerlo dei 45 cm.

Se si esegue la prova più volte durante lo stesso sondaggio, si ottiene un profilo di NSPT, informazione che permette poi di ottenere caratteristiche meccaniche su tutta la verticale esplorata.

I dati del campionatore sono i seguenti:

M = 73,5 kg

H = 0,76 m

La somma N1+N2 restituisce NSPT, dato standardizzato della prova.

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 23/03/2010 Prove penetrometriche dinamiche (SPT, SCPT) 16

Prova SCPT (Standard Cone Penetration Test)

Nata come modifica della prova SPT, è oggi abbastanza accettata come prova standard, al pari della prova da cui ha avuto origine. La punta che viene lasciata cadere nel terreno è costituita da un cono anziché da un campionatore cavo: ciò per evitare le situazioni di “rifiuto” della prova SPT, frequenti nel caso di terreni a grana molto grossa (il campionatore Raymond può incastrarsi a causa di grani particolarmente grossi, e provocare il fallimento della prova). A differenza della prova SPT, la SCPT può anche essere eseguita direttamente sul terreno.

La difficoltà principale che si incontra nell’interpretazione di una prova SCPT è dovuta alla non perfetta correlazione tra NSPT ed NSCPT: nonostante esistano diagrammi di trasferimento dall’uno all’altro numero, la loro definizione è molto incerta, e non è possibile avere un livello di confidenza tale da passare indifferentemente dall’uno all’altro valore. Tali diagrammi sono stati ottenuti da cosiddette camere di correlazione, ossia terreni costituiti artificialmente, di caratteristiche completamente note, sui quali sono state effettuate entrambe le prove e sono state ricavate numerose coppie di numeri delle due prove.


Interpretazione di una prova SPT/SCPT

Quale che sia la prova dinamica effettuata, il numero di interesse è sempre NSPT, perché è il parametro sul quale sono stati calibrati gli abachi di correlazione con le caratteristiche meccaniche.

Poiché le prove meccaniche vertono essenzialmente sulla determinazione della resistenza a taglio, nei terreni incoerenti il parametro da determinare è l’angolo di attrito efficace 𝜑𝜑′ .

Uno tra i più usati è il diagramma di De Mello, che restituisce il valore dell’angolo di attrito efficace 𝝋𝝋′ di una sabbia in base a NSPT e alla tensione verticale efficace 𝜎𝜎𝑣𝑣′ agente alla profondità di esecuzione.

È importante osservare come l’angolo di attrito efficace dipenda non solo da NSPT, ma anche dalla tensione verticale efficace agente alla profondità di esecuzione della prova.

Quando si esegue la prova, si induce una condizione di collasso localizzato nel foro; la resistenza a taglio in direzione verticale è data dal criterio di Mohr-Coulomb:

𝜏𝜏𝑓𝑓 = tg𝜑𝜑′ ∙ 𝜎𝜎𝑛𝑛′

Poiché, dunque, 𝜏𝜏𝑓𝑓 varia con 𝜎𝜎𝑛𝑛′ , a diverse profondità si

avrà il collasso per un numero NSPT differente, pur essendo 𝜑𝜑′ costante.

La variazione quasi lineare di NSPT nel grafico dipende dalla variazione quasi lineare di 𝜎𝜎𝑛𝑛′ con la profondità (ossia con la tensione verticale efficace 𝜎𝜎′).

σ’

σ’n σ’n


Un’altra correlazione che si può istituire con NSPT è quella proposta da Gibbs & Holtz: entrando nel diagramma con NSPT e 𝜎𝜎𝑣𝑣′ , si ottiene la densità relativa dello strato:

Nel calcolo dei cedimenti è importante conoscere il modulo di Young efficace E’ (sempre per terreni incoerenti); la risposta del terreno è non lineare, ossia esso mostra rigidezze differenti a seconda del suo stato deformativo, e di solito la rigidezza diminuisce all’aumentare della deformazione. Tale parametro è quindi di difficile determinazione. La correlazione di Denver (1982) fornisce un abaco o una equazione analitica, e per ciascuno propone 5 diverse relazioni, a seconda del tipo di terreno in esame. Tralasciando le rette relative a sabbie e ghiaie NC / OC (dato che è pressoché impossibile determinare il grado di sovraconsolidazione di un terreno incoerente), i valori usualmente considerati nella caratterizzazione corrispondono a quelli per sabbia satura o sabbia argillosa.

N.B. Il grafico restituisce il modulo di Young in 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐 2 , mentre la formula è espressa in Mpa.


Per scegliere opportunamente la curva da usare, ci si basa sulla granulometria, che è stata quindi determinata in precedenza.

Considerazioni sulle prove SPT in terreni coesivi

Come già affermato all’inizio del paragrafo, le prove dinamiche non sono utilizzabili in terreni coesivi; storicamente, ciò si giustifica con la nascita della prova SPT negli Stati Uniti, caratterizzati da grandi banchi di ghiaia; da un punto di vista geotecnico, le argille non si prestano bene a essere sottoposte a prove simili perché la bassa permeabilità da cui sono caratterizzate provoca delle sovrappressioni interstiziali, al momento dell’infissione, che non hanno il tempo di dissiparsi; si potrebbe dunque pensare di correlare una prova SPT al parametro di resistenza non drenata 𝑐𝑐𝑢𝑢 , ma tale correlazione sarebbe poco significativa a causa del disturbo introdotto dalle modalità impulsive della prova.

In contesti specifici sono disponibili correlazioni adatte a determinare parametri meccanici in terreni coesivi; ad esempio, le prove SPT sono state utilizzate nei pressi di Atene in banchi di argilliti (l’argillite è il prodotto della prima fase di litificazione di un’argilla). È superfluo osservare che la validità di simili relazioni è limitata alla zona nella quale sono state eseguite.

Casi particolari (nell’impossibilità di eseguire la prova SPT)

Può capitare che, a causa di particolari condizioni del terreno (grana eccessivamente grossa che provoca il “rifiuto” della prova), o per opere di importanza eccezionale (ad esempio gli appoggi su ghiaia del ponte sullo Stretto di Messina) non si possano eseguire prove standardizzate.

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 23/03/2010 Prove penetrometriche statiche (CPT, CPTU) 20

Se la prova SPT è stata iniziata, ma si blocca prima del raggiungimento della profondità richiesta (i 45 cm ottenuti dalla somma di tre fasi da 15 cm), si segna nel log della prova che la stessa è andata a rifiuto; i parametri meccanici possono in tal caso essere soltanto ipotizzati, assumendo un valore forfait abbastanza alto, ma comunque cautelativo; è utile in tal senso confrontare prove eseguite su terreni ritenuti affini a quello in esame.

Se invece si decide di eseguire una prova dinamica nonostante l’impossibilità di realizzarla secondo lo standard della SPT, si possono realizzare campionatori più grandi, calibrati volta per volta mediante opportune camere.

Prove penetrometriche statiche (CPT, CPTU)

La prova CPT (acronimo di Cone Penetration Test) è nata nei Paesi Bassi, la cui geologia vede diffusi banchi di argilla, nei quali non è possibile effettuare prove SPT; per una caratterizzazione efficace bisognava quindi eseguire numerosi, e costosi, sondaggi, corredandoli con altrettanto numerosi prelievi di campioni indisturbati da analizzare in laboratorio. L’eccessiva onerosità di queste procedure ha portato alla messa a punto di una prova che permettesse di ricavare tutti questi dati in un’unica esecuzione.

La prova CPT fornisce infatti informazioni continue lungo la verticale esplorata e inoltre, mediante il supporto di sondaggi nelle vicinanze, fornisce indicazioni sulla stratigrafia del terreno attraversato.

Si tratta di una prova di infissione che avviene a velocità costante; la punta è costituita dal cosiddetto cono olandese, che penetra direttamente nel terreno (non nell’ambito di un sondaggio, quindi). Durante l’infissione si misura con continuità la forza necessaria per poter infiggere l’asta alla velocità prefedinita: tale forza è definita resistenza alla punta 𝒒𝒒𝒄𝒄. In passato si usavano dinamometri controllati con continuità dall’operatore (punte meccaniche); oggi l’intera operazione è gestita elettronicamente (punte elettriche), e l’apparecchio è dotato di celle di carico con estensimetri e convertitori D/A (digitale/analogico); dalla punta viene inviato un segnale al computer ad essa collegato, il quale provvede autonomamente a interpretare il segnale digitale come informazione meccanica di resistenza.

L’infissione della punta è immediatamente seguita dall’infissione di un manicotto; si misura quindi anche la resistenza laterale alla penetrazione dello stesso (è tuttavia un’informazione secondaria rispetto all’informazione di resistenza alla punta).

La prova CPT può essere interpretata con successo in terreni coesivi come in terreni incoerenti; è però necessario poterli riconoscere, perché dai primi si ricava solo la resistenza non drenata 𝑐𝑐𝑢𝑢 , dai secondi solo l’angolo di attrito efficace 𝜑𝜑′ .


Le prove CPT sono utilissime per “risparmiare” sul numero di sondaggi da effettuare: essendo mediamente meno costose di questi ultimi, possono fornire indicazioni stratigrafiche presunte, correlabili a quelle certe fornite dai sondaggi.

Un esempio è quello della vasca navale oggetto dell’esercitazione: si hanno a disposizione solo due sondaggi, eseguiti a distanza di quasi 300 m l’uno dall’altro, e si sono realizzate tre prove CPT, delle quali una in adiacenza a un sondaggio (per calibrare l’interpretazione stratigrafica della CPT) e altre due a distanza intermedia, per interpolare meglio i dati provenienti dalle carote. Una strategia simile è portata a conseguenze ancor più estreme per opere che per loro stessa natura sono molto estese in un’unica direzione (rilevati stradali, ferroviari, etc…).

Prove CPTU

Per aumentare ulteriormente il livello di dettaglio dell’indagine, si possono indagare anche le pressioni dell’acqua mediante trasduttori di pressione interstiziale. Tali prove vengono chiamate CPTU (Cone Penetration Test Undrained); lo strumento con cui si eseguono è detto piezocono.

È evidente che:

- In terreni incoerenti si legge l’andamento delle pressioni di falda (idrostatiche); - In terreni coesivi si leggono le 𝛥𝛥𝑢𝑢 (e si è certi, quindi, di essere in presenza di

terreni coesivi)


Interpretazione di una prova CPT

Nell’interpretazione di una prova CPT, la differenza fondamentale è quella fra terreni incoerenti e terreni coesivi:

nelle sabbie, l’andamento della resistenza alla punta è molto variabile, con picchi di resistenza e immediati rilasci;

nelle argille, l’andamento è pressoché lineare (se presenta picchi isolati, li si può interpretare come inclusioni sabbiose);

- in particolare, se l’ideale prolungamento del tratto lineare verso la superficie intercetta l’origine, si può dimostrare che l’argilla attraversata è NC;

- viceversa, se l’intercetta in superficie raggiunge un valore di 𝒒𝒒𝒄𝒄 > 0, l’argilla è OC.

N.B. Andamenti misti, ossia abbastanza lineari, ma non abbastanza da indicare un’argilla omogenea, rappresentano stratigrafie parimenti miste (sabbie argillose o argille sabbiose, a seconda del grado di regolarità del diagramma).

Per sabbia molto sciolte, si può riscontrare un andamento continuo simile a quello delle argille.


Interpretazione di una prova CPTU

Lo studio del diagramma delle 𝛥𝛥𝑢𝑢 affiancato al diagramma di 𝑞𝑞𝑐𝑐 conferma l’interpretazione della stratigrafia descritta nel capoverso precedente:

- nei terreni coesivi (andamento di 𝑞𝑞𝑐𝑐 abbastanza regolare), la pressione dell’acqua è ovunque maggiore di quella idrostatica le sovrappressioni generate dall’infissione del cono non si dissipano immediatamente;

- nei terreni incoerenti (andamento di 𝑞𝑞𝑐𝑐 irregolare), la pressione misurata segue abbastanza fedelmente il livello che di falda le sovrappressioni si dissipano quasi contestualmente all’infissione.

Nel caso del diagramma riportato, si può dedurre l’ulteriore informazione che lo strato coesivo (quello inferiore) è caratterizzato da frequenti intermissioni sabbiose, a causa dei bruschi cali di 𝛥𝛥𝑢𝑢 riscontrati; per di più, tali cali si possono correlare ad improvvisi aumenti di 𝑞𝑞𝑐𝑐 , occorsi alla stessa profondità.

L’argilla, infine, è NC, dato che il prolungamento del profilo di 𝑞𝑞𝑐𝑐 intercetta l’origine degli assi.

Argilla con sabbia

Sabbia

Andamento statico della falda

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 29/03/2010 Interpretazione meccanica delle prove CPT 24

Lez. 29/03/2010

Nota sull’andamento della tensione verticale efficace in mare

Poiché le CPT si possono eseguire, con qualche accortezza in più, anche su piattaforme off-shore, si ricorda che l’andamento della tensione verticale efficace parte comunque da zero, anche se il terreno è sommerso: nel volume di acqua, infatti, lo stato tensionale totale è governato dalla pressione dell’acqua, ed è quindi diverso da 0. All’interfaccia con il terreno, la pressione interstiziale agente sul terreno è annullata dalla pressione (totale) dell’acqua soprastante: lo stato tensionale efficace del terreno parte sempre da zero, qualunque sia il battente idraulico su di esso agente.

Ricostruzione della stratigrafia a partire da prove CPT

Mediante il diagramma di Robertson-Campanella, è possibile determinare il tipo di strato che la CPT sta attraversando, distinguendo sabbie, sabbie limose, limi e limi argillosi, argille limose, argille.

Si procede, dopo aver fissato il passo dell’acquisizione del segnale, a riportare i vari punti dati dalle coppie di valori 𝑞𝑞𝑐𝑐 − 𝐹𝐹𝐹𝐹, dove

𝐹𝐹𝐹𝐹 = 100 𝑓𝑓𝑠𝑠𝑞𝑞𝑐𝑐

.

In base alla zona del grafico nella quale si è addensata la maggior parte dei punti, si determina la stratigrafia prevalente del terreno in esame.

Interpretazione meccanica delle prove CPT

Perché una prova CPT possa essere correlata a caratteristiche meccaniche, deve rispettare i seguenti standard:

- Caratteristiche della punta; - Modalità di misura; solo così 𝑞𝑞𝑐𝑐 si potrà considerare attendibile. - Velocità di infissione


PROVE CPT

Terreni incoerenti Terreni coesivi

𝜑𝜑′ 𝑐𝑐𝑢𝑢

𝐸𝐸′ 𝐸𝐸𝑢𝑢

Determinazione dell’angolo di attrito efficace in terreni incoerenti

L’angolo di attrito efficace 𝜑𝜑′ si ricava mediante abachi che ne correlano il valore alla resistenza alla punta 𝑞𝑞𝑐𝑐 (attenzione nella scelta del valor medio adeguato: nei terreni incoerenti è abbastanza difficile da determinare, data l’estrema variabilità del grafico) e alla tensione verticale efficace 𝜎𝜎𝑣𝑣0

′ .

Correlazione tra 𝒒𝒒𝒄𝒄 e 𝝋𝝋′

(nato per sabbie quarzose prive di cementazione)

Durgunoglu & Mitchell, 1975


Altri abachi correlano l’angolo di attrito alla densità relativa 𝐷𝐷𝐹𝐹, oltre che a 𝑞𝑞𝑐𝑐 .

Come nel caso della correlazione con la tensione verticale efficace, la densità relativa è un valore che cambia con la profondità raggiunta, e influenza la resistenza alla punta, a parità di angolo di attrito efficace.

Correlazione tra 𝒒𝒒𝒄𝒄 e 𝝋𝝋′

N.B. Gli abachi distinguono sabbie NC da sabbie OC. Nella redazione delle curve ciò aveva senso, perché i terreni di prova erano stati preparati appositamente, e se ne conosceva ogni parametro. Nella pratica tecnica, tuttavia, è impossibile stabilire il grado di sovra consolidazione di una sabbia, come già osservato in precedenza. Questi diagrammi risultano dunque poco significativi.

Determinazione del modulo di Young efficace in terreni incoerenti

Si usano abachi di correlazione fra 𝑞𝑞𝑐𝑐 di una prova CPT e modulo di Young efficace 𝐸𝐸′ . Si basano su relazioni tra modulo di Young edometrico 𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒′ , che è a sua volta funzione di 𝐸𝐸′ e di 𝜈𝜈′.


Poiché anche questi diagrammi fanno riferimento al grado di sovraconsolidazione delle sabbie, e i valori da essi forniti sono abbastanza difformi a seconda della località in cui vengono eseguiti (gli abachi riportati in figura, ad esempio, valgono per le sabbie del Ticino), nella pratica tecnica si segue un’altra strada:

per la determinazione di 𝑬𝑬′ dai risultati di una prova CPT

- si individua il valor medio di 𝑞𝑞𝑐𝑐 per lo strato; - si utilizzano abachi di passaggio tra 𝑞𝑞𝑐𝑐 ed NSPT (saranno trattati più avanti), conoscendo la

granulometria dello strato; - si utilizzano abachi di correlazione fra NSPT ed 𝐸𝐸′ (Denver, ad esempio).

Caratterizzazione geotecnica - Lez. 29/03/2010 Appunti dall’esercitazione con C. Vitone (21/05/2008) 29

Appunti dall’esercitazione con C. Vitone (21/05/2008)

Gli spessori medi degli strati individuati vanno valutati con la media aritmetica dei valori individuati in corrispondenza dei due sondaggi e delle due CPT “isolate”.

Non individuare lo spessore dello strato di riporto (perché variabile), né del bed-rock di argille vaticane, che si considereranno indefinitamente estese.

Si assume che la falda si trovi a 1,5 m dal tetto dello strato 2.

Lo strato 5 (argilla NC): la nostra bestia nera

Tutti i campioni del sondaggio 1 (S1C1, S1C2, S1C3, S1C4) e i campioni S2C4, S2C6 appartengono allo strato 5 di argilla NC; è lo strato che ci dà più problemi (oltre a essere l’unico coesivo e quindi campionabile, oltre al primo strato di argilla limosa, da cui sono stati prelevati S2C1 ed S2C2).

I dati provenienti dai provini riportano valori spesso contrastanti, indici di plasticità che sono in alcuni casi 25, in altri 46, frazioni sabbiose fortemente variabili, angoli di attrito alti… Insomma, parecchie anomalie.

Per quanto riguarda S1C2 ed S1C3, essi non vanno considerati ai fini della determinazione di parametri meccanici, perché sfortunatamente sono stati prelevati proprio in corrispondenza delle lenti sabbiose che caratterizzano lo strato di argilla NC. Dalle schede riassuntive si possono desumere i valori

𝜑𝜑′ = 33° e

𝑐𝑐′ = 0 .

𝜑𝜑′ , mediante l’abaco che si trova a pag. 215 del libro “Fondazioni” di R. Lancellotta [II ediz.]:

Bisogna considerare un valore situato nel mezzo della fascia; 𝑐𝑐′ = 0, poiché l’argilla è NC.


Per il calcolo di 𝜎𝜎𝑣𝑣𝑐𝑐′ , ci si pone alla profondità media del prelievo del campione. Con riferimento a

S1C1, ad esempio, 𝑧𝑧 = 23,5+24,12

= 23,8 𝑐𝑐 si calcola 𝜎𝜎𝑣𝑣0′ (conosciamo già i pesi 𝛾𝛾 per unità di volume di

tutti gli strati).

Per la determinazione di OCR, si ricorre alla costruzione di Casagrande. Considerata la curva di compressione edometrica, si determinano 𝐶𝐶𝑐𝑐 e 𝐶𝐶𝑠𝑠 (stessa procedura richiamata nel calcolo dei cedimenti).

Per il coefficiente di consolidazione primaria 𝑐𝑐𝑣𝑣 si usano le curve di consolidazione fornite nei log della prova edometrica: non è la curva di compressione edometrica, ma l’insieme delle curve che indicano il

cedimento sotto ciascun gradino di carico (1, 2, 4, 8, etc…, 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐 2 ).

Per approfondire, bisognerebbe rispolverare la teoria della consolidazione monodimensionale di Terzaghi, ma qui basta scrivere la relazione

𝑐𝑐𝑣𝑣 = 𝐻𝐻2∙𝑇𝑇𝑣𝑣𝑡𝑡50

,

dove con 𝐻𝐻 si intende l’altezza libera di drenaggio; nell’edometro, è pari alla metà dell’altezza del provino, poiché le superfici di drenaggio sono due (le due pietre porose).

Per stabilire quale, delle curve di consolidazione, usare nel calcolo di 𝑐𝑐𝑣𝑣, si considera la tensione verticale efficace e si sceglie la curva corrispondente al gradino di carico che meglio approssima la tensione cui il campione era sottoposto in sito.

Si ricava il valore di 𝐻𝐻 = �𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧 +𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛2∙2

�2

;

𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧 +𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛2

è l’altezza media, si divide ulteriormente per 2 a causa del doppio bordo drenante, e infine

si eleva al quadrato.

I valori di 𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧 e 𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛 si ricavano direttamente dalle curve di consolidazione.

Supponendo, nel S1C1, di aver scelto la curva a 8 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐 2 , si considera il valore finale della curva

precedente (1,7𝑐𝑐𝑐𝑐); poiché il campione era inizialmente alto 20𝑐𝑐𝑐𝑐, il valore di 𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧 è (20 − 1,7)𝑐𝑐𝑐𝑐 =18,3𝑐𝑐𝑐𝑐.

Il valore di 𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛 si determina con le tangenti alle curve di consolidazione: la tangente corrispondente

al punto di flesso, e un’altra che prolunga la parte finale della curva; l’intersezione delle due rette fornisce 𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛 .

Le ascisse in corrispondenza di 𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧 e 𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛 individuano i valori di tempo 𝑡𝑡0 e 𝑡𝑡100 ; il valore 𝑡𝑡50 è

definito allora come il valore attingibile sulla curva in corrispondenza della metà del segmento 𝐻𝐻𝑓𝑓𝑖𝑖𝑛𝑛 −𝐻𝐻𝑖𝑖𝑛𝑛𝑖𝑖𝑧𝑧; una volta calcolato 𝑡𝑡50 è possibile ricavare 𝑐𝑐𝑣𝑣 .

Valori orientativi per questo coefficiente sono:

(1 ÷ 5) ∙ 10−7 𝑐𝑐2

𝑠𝑠 per le argille OC;

≅ 2 ∙ 10−7 𝑐𝑐2

𝑠𝑠 per le argille NC.


Dati per il calcolo delle tensioni citostatiche

Assumere:

Strato 1 (riporto): 𝛾𝛾 = 18,2 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑐𝑐3

Strato 3: �𝜈𝜈′ = 0,3𝛾𝛾3 = 18 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑐𝑐3

�

Strato 4: �𝜈𝜈′ = 0,3𝛾𝛾4 = 20 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑐𝑐3

�

Strato 6:

⎩⎪⎨

⎪⎧𝛾𝛾𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 20 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑐𝑐3

𝑐𝑐′ = 0𝜑𝜑′ = 40°

𝐸𝐸′ = 35𝑀𝑀𝑀𝑀𝑖𝑖

�

Per la determinazione di 𝝋𝝋′ negli strati 3 e 4, che sono incoerenti, bisogna disporre del valore della resistenza alla punta 𝑞𝑞𝑐𝑐 , in modo da poterlo correlare a 𝜑𝜑′ mediante l’abaco di Durgunoglu e Mitchell.

Il calcolo della 𝑞𝑞𝑐𝑐 media si effettua per ogni strato; si prende il picco in corrispondenza dello strato d’interesse, e se ne fa una media pesata, oppure si può fare una media con il calcolo delle aree (NON HO CAPITO COME, forse con AutoCAD? Boh).

Per determinare 𝒄𝒄𝒖𝒖 negli strati coesivi si usa la relazione:

𝑐𝑐𝑢𝑢 = 𝑞𝑞𝑐𝑐−𝜎𝜎𝑣𝑣0𝑘𝑘

,

dove la tensione verticale è quella totale, perché si è in condizioni non drenate.

Il parametro N varia da 15 a 25; non disponendo di apposite prove di laboratorio per calibrare tale valore (cfr. lezione del 29/03/2010), si assume il valore mediano, pari a 20.

Per i terreni coesivi, la determinazione del valore medio di 𝑞𝑞𝑐𝑐 è più agevole; il valore di 𝜎𝜎𝑣𝑣0 da considerare è quello corrispondente al centro dello strato.


Per la determinazione di E’ si usa la correlazione empirica di Denver, che sfrutta però il numero di colpi NSPT: bisogna dunque ricavare NSPT da 𝑞𝑞𝑐𝑐 , mediante la correlazione di Robertson:

Nella relazione di Denver si considerano i coefficienti relativi a:

- strato 3 sabbia argillosa (0,316 e 1,58) - strato 4 sabbia satura ( (0,478 e 7,17)

N.B. nella correlazione di Robertson, per il passaggio da 𝑞𝑞𝑐𝑐 a NSPT , bisogna conoscere la granulometria del materiale, consultando la curva granulometrica e scegliendo il diametro corrispondente al 50% di materiale passante. Nel progetto si assumeranno:

- strato 3 𝐷𝐷50 = 0,07 𝑐𝑐𝑐𝑐 - strato 4 𝐷𝐷50 = 0,37 𝑐𝑐𝑐𝑐

Ricapitolando:

valor medio di 𝑞𝑞𝑐𝑐 correlazione con NSPT determinazione di E’ con l’abaco di Denver.

caratterizzazione geotecnica

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