UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di ...geotecnica.dicea.unifi.it/less_sit_12_13.pdf · “INDAGINI IN SITO” UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di

“INDAGINI IN SITO”

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZEDipartimento di Ingegneria Civile e AmbientaleSezione geotecnica (www.dicea.unifi.it/geotecnica)

Johann [email protected]

http://www.dicea.unifi.it/~johannf/

Corso di GeotecnicaIngegneria Edile, A.A. 2012/2013

Programmazione delle indagini

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Dr. Ing. Johann FacciorussoCorso di Geotecnica per Ingegneria EdileA.A. 2012/2013

INDAGINI GEOTECNICHEOgni opera di ingegneria civile interagisce con una parte del sottosuolo,detta volume significativo.

Il comportamento dell’opera dipende: dai carichi applicati (noti)dalla geometria e dalle proprietà fisico-meccaniche dell’opera stessa

(noti e/o modificabili in fase di progetto) dalla geometria e dalle proprietà fisico-meccaniche del volume

significativo di sottosuolo (da determinare e in genere immodificabili)

Ai fini della definizione del modello geotecnico da assumere nellaprogettazione , le indagini in sito consentono di:

identificare la geometria del volume significativo di sottosuolo(condizioni stratigrafiche e di falda)

caratterizzare, congiuntamente con le indagini di laboratorio, ilcomportamento meccanico delle diverse formazioni presenti

(caratteristiche di resistenza e di deformabilità)

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INDAGINI IN SITOLe indagini geotecniche in sito hanno vantaggi che consentono di superarei limiti delle prove di laboratorio e allo stesso tempo presentano svantaggiche sono in parte colmati dalle potenzialità delle prove di laboratorio.Pertanto i due tipi di prove non sono alternativi ma complementari.

sono insostituibili per il riconoscimento stratigrafico interessano grandi volumi di terreno molte di esse consentono di tracciare profili pressoché continui con la

profondità delle grandezze misurate sono più rapide ed economiche il disturbo procurato sul terreno circostante è pressoché trascurabile sono quasi l’unico mezzo per caratterizzare dal punto di vista meccanico

i terreni incoerenti (il cui campionamento “indisturbato” è molto difficileed economicamente oneroso)

le condizioni al contorno (condizioni di carico, vincolo e di drenaggio)sono difficilmente individuabili e incerte

la modellazione della prova è spesso incerta e schematica l’interpretazione è talvolta affidata a relazioni empiriche o semi-

empiriche

VANTAGGI:

SVANTAGGI:


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CORRELAZIONIPer convertire i valori delle grandezze misurate con prove in sito nei valorinumerici dei parametri geotecnici utili nella progettazione si utilizzanocorrelazioni, che a seconda della prova possono essere:

correlazioni primarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dalrisultato della prova utilizzando una solida base teorica con pocheipotesi da verificare (ad es. la stima di G0 da misure di VS);

correlazioni secondarie, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dalrisultato della prova utilizzando una base teorica, ma conapprossimazioni e ipotesi sostanziali, e in genere con parametriintermedi (ad es. la stima di cu da qc)

correlazioni empiriche, con cui il parametro geotecnico è ottenuto dalrisultato della prova senza giustificazione teorica (ad es. la stima diqlim di fondazioni su sabbia da NSPT).

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ESTENSIONE DELLE INDAGINILe indagini geotecniche vanno condotte su quella parte di sottosuolo cheverrà influenzata dalla costruzione dell’opera o che ne influenzerà ilcomportamento (ovvero il volume significativo).

Nel caso di terreno omogeneo, per le più frequenti opere geotecniche(AGI, 1977):

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ESTENSIONE DELLE INDAGINI

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APPROFONDIMENTO DELLE INDAGINI

Il grado di approfondimento dell’indagine geotecnica nel volumesignificativo del sottosuolo dipende:

dalla fase di progettazione (di fattibilità, definitiva o esecutiva) dall’importanza dell’opera dalla complessità delle condizioni stratigrafiche e geotecniche

Secondo l’Eurocodice per l’ingegneria geotecnica (EC7) le opere darealizzare possono essere classificate in tre categorie geotecniche (GC) diimportanza crescente, cui ovviamente corrispondono gradi diapprofondimento crescenti dell’indagine geotecnica.

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CATEGORIE GEOTECNICHE SECONDO L’EUROCODICE EC7

GC1

Strutture semplici caratterizzate da rischi molto limitatiEsempi:- fabbricati di piccole dimensioni con carichi massimi alla base dei pilastri di

25,5 kN o distribuiti alla base di murature di 10 kN/m,- muri di sostegno o scavi sbatacchiati di altezza non superiore a 2m,

scavi di piccole dimensioni per drenaggi o posa di fognature, etc..

GC2

Tutti i tipi di strutture e fondazioni convenzionali che non presentanoparticolari rischi.Esempi:- fondazioni superficiali,- fondazioni a platea,- pali,- opere di sostegno delle terre o delle acque,- scavi,- pile di ponti,- rilevati e opere in terra,- ancoraggi e sistemi di tiranti,- gallerie in rocce dure, non fratturate e non soggette a carichi idraulici elevati

GC3Strutture di grandi dimensioni, strutture che presentano rischi elevati,strutture che interessano terreni difficili o soggette a particolari condizioni dicarico, strutture in zone altamente sismiche

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Per le opere di categoria GC1 che ricadono in zone note, con terreni difondazione relativamente omogenei e di buone caratteristiche geotecniche,ove già esistono strutture analoghe che hanno dato buona prova di sé,etc.., l’indagine può essere limitata alla raccolta delle informazioniesistenti, e la relazione geotecnica (sempre necessaria) può giustificare lescelte progettuali su base comparativa, per esperienza e similitudine.

Al contrario per opere di categoria GC3 occorre un piano di indagine moltoapprofondito e dettagliato, curato da specialisti del settore, che si estendanel tempo (prima, durante e dopo la realizzazione dell’opera),comprendente prove speciali, da affidare a ditte o enti altamente qualificati,mirate all’analisi dei problemi specifici e particolari dell’opera in progetto.

In questa sede ci limitiamo a considerare le indagini geotecniche per operedi categoria GC2.

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Per identificare le condizioni stratigrafiche e di falda all’interno delvolume significativo di sottosuolo possono essere eseguite: prove geofisiche scavi e trincee sondaggi e prove continue (o quasi) lungo verticali di esplorazione1. Scavi e trincee di esplorazione mettono in luce ampie sezioni verticalidel sottosuolo (consentono una descrizione di dettaglio della successionestratigrafica ed il prelievo di campioni anche di grandi dimensioni conminimo disturbo) ma sono caratterizzati da una modesta profondità diindagine.2. I sondaggi stratigrafici e geotecnici consentono di verificaredirettamente la successione stratigrafica lungo una verticale diesplorazione, di prelevare campioni per le analisi di laboratorio, e dieseguire prove meccaniche e idrauliche a fondo foro, durante laperforazione.3. Le prove continue (o quasi) lungo verticali di esplorazione (CPT, SPT,DMT, etc.) consentono di identificare la successione stratigrafica e distimare alcune proprietà geotecniche in modo indiretto mediantecorrelazioni con le grandezze misurate.

CARATTERIZZAZIONE STRATIGRAFICA

Approfondimento dell'indagine geotecnica

Cos

ti

Costo dell'indagineCosto di costruzioneCosto totale

M

Livello di approfondimentoMassimo

approfondimento

Minimo costo


Cos

ti


M

Livello di approfondimento


Cos

ti


M



Cos

ti


M



Cos

ti


M

Livello di approfondimentoMassimo

approfondimento

Minimo costo

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Tipologia di prova, numero, profondità e localizzazione delle verticali diesplorazione devono essere stabiliti in base alla forma e all’estensione delvolume significativo, ed al livello di dettaglio richiesto,tenendo conto anche di: tipologia e importanza

dell’opera in progetto complessità e variabilità

del terreno di fondazione rapporto costi/benefici

DENSITÀ DELLE INDAGININella maggior parte dei casi, le informazioni sulla successionestratigrafica e sulle proprietà meccaniche e idrauliche dei terreni presentinel sottosuolo si riferiscono a verticali di esplorazione.

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AMPIEZZA ORIENTATIVA DELL’INDAGINE GEOTECNICA

Tipo di opera Distanza fra i sondaggi (m)Stratificazione

Numero minimo di verticali di esplorazione

Uniforme Media Caotica

Edificio di 12 piani 60 30 15 3

Edificio a molti piani 45 30 15 4

Pile e spalle di ponti, torri ‐ 30 12 12 per ciascuna fondazione

Strade 300 150 30 ‐

Gallerie:progetto di massimaprogetto esecutivo

500100

30050

‐‐ ‐

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I mezzi di indagine in sito per l’identificazione condizioni stratigrafiche e difalda del volume significativo di sottosuolo e per la caratterizzazionemeccanica delle formazioni presenti, sono molti e di diversa complessità.I più diffusi in Italia, comunemente impiegati per la progettazione di operedi categoria GC2 , sono:

le perforazioni di sondaggio, le prove penetrometriche dinamiche (SPT), le prove penetrometriche statiche (CPT), le prove con piezocono (CPTU), le prove dilatometriche (DMT).

TIPI DI INDAGINI

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Perforazioni di sondaggio

Per sondaggio stratigrafico si intende una perforazione del terreno, ingenere in direzione verticale, che consente di riconoscere la successionestratigrafica, mediante l’esame visivo e l’esecuzione di alcune prove diriconoscimento sul materiale estratto.

Durante la perforazione è possibile installare apparecchi di misura qualipiezometri, inclinometri, etc..

SONDAGGI STRATIGRAFICI E GEOTECNICI

Si parla di sondaggio geotecnico quando e la perforazione permette, oltreal riconoscimento stratigrafico, anche il prelievo di campioni“indisturbati” di terreno e l’esecuzione di prove in foro per ladeterminazione delle proprietà geotecniche dei terreni in sede.

Con le perforazioni di sondaggio è possibile attraversare qualunque tipodi terreno, anche a grande profondità e sotto falda, ed eseguire indaginianche sotto il fondo di fiumi o del mare.

Esistono due tipi di sondaggio: sondaggio stratigrafico sondaggio geotecnico

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Esistono diverse tecniche di perforazione :

a distruzione se lo scopo della perforazione è solo quello diraggiungere una data profondità, ad esempio per installare unostrumento di misura, e non interessa il riconoscimento stratigrafico o ilprelievo di campioni rappresentativi:

TIPI DI SONDAGGI

a percussione, a rotazione, con trivelle ad elica

a carotaggio continuo se si vuole identificare in dettaglio la successione

Il sondaggio può esser condotto:


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TECNICHE DI PERFORAZIONE


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La tecnica di perforazione attualmente più utilizzata per i sondaggi acarotaggio continuo è a rotazione.

SONDAGGI A CAROTAGGIO CONTINUO

Le carote estratte nel corso del sondaggio sono sistemate in appositecassette catalogatrici.Il diametro dei fori di sondaggio è in genere compreso tra 75 e150mm.

Il terreno è perforato da un utensile spinto e fatto ruotare mediante unabatteria di aste. La perforazione può avvenire a secco o con immissionedi un fluido.

L’utensile di perforazione è un tubo d’acciaio (carotiere) munitoall’estremità di una corona tagliente di materiale adeguato. Per evitareche il terreno campionato venga a contatto con la parte rotante e siaalmeno parzialmente protetto dal dilavamento del fluido di circolazione,possono utilizzarsi carotieri a parete doppia, di cui solo quella esternaruota.

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Per assicurare la stabilità della parete e del fondo del foro, ovenecessario, si utilizza:

una batteria di tubi di rivestimento un fluido costituito in genere da una miscela di acqua con unapercentuale

del 35% di bentonite (fango bentonitico).

Il fango bentonitico è caratterizzato da un peso specifico di poco superiorea quello dell’acqua e da tixotropia, ovvero da una viscosità molto elevatain stato di quiete e molto minore in stato di moto. Tali caratteristicherendono il fango bentonitico particolarmente adatto non solo a sostenerele pareti e il fondo del foro durante l’esecuzione ma anche a sollevare ilmateriale scavato verso la bocca del foro.

N.B. Se si utilizza il fango bentonitico viene a formarsi una pellicolaimpermeabile sulla superficie del foro che non consente l’esecuzione diprove di permeabilità e di misure piezometriche.

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20/75



21/75



SCHEDA STRATIGRAFICA

22/75



I campioni estratti durante la perforazione possono avere diverso grado didisturbo in funzione sia della tecnica e degli strumenti utilizzati per ilprelievo, sia della natura del terreno stesso.

CAMPIONI

Le principali cause di disturbo derivano: dall’esecuzione del sondaggio (disturbo prodotto dalla sonda o

dall’attrezzo di perforazione) dall’infissione ed estrazione del campionatore dalla variazione dello stato tensionalee nei provini sottoposti a prove di laboratorio: 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 dalle operazioni di formazione del provino (ad esempio al tornio) dal montaggio nell’apparecchiatura di prova.

In particolare con gli usuali mezzi e tecniche di prelievo non è possibileestrarre campioni “indisturbati” di terreno incoerente.

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CLASSI DI QUALITÀ DEI CAMPIONICaratteristiche geotecniche

determinabili Grado di qualità

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

a) profilo stratigrafico X X X X Xb) composizione granulometrica X X X X

c) contenuto d’acqua naturale X X X

d) peso di volume X X

e) caratteristiche meccaniche(resistenza, deformabilità, etc..) X

campioni disturbatio rimaneggiati

disturbolimitato

indisturbati



A parità di accuratezza nel campionamento, la classe di qualità massimaraggiungibile dipende dal tipo di terreno e di campionatore:

Tipo di terrenoTipo di campionatore

A B C D E

a) coesivi poco consistenti Q3 Q4 Q5

Q5

b) coesivi moderatamente consistenti oconsistenti

Q3(Q4) Q4 Q5 Q5

c) coesivi molto consistenti Q2(Q3)

Q3(Q4) Q5

d) sabbie fini al di sopra della falda Q2 Q3 Q3 Q3 (Q4)

e) sabbie fini in falda Q1 Q2 Q2 Q2(Q3)

N.B. Si indicano tra parentesi le classi di qualità Q raggiungibili con campionamento molto accurato.

A. campionatore pesante infisso a percussioneB. campionatore a parete sottile infisso a percussioneC. campionatore a parete sottile infisso a pressioneD. campionatore a pistone infisso a pressioneE. campionatore a rotazione a doppia parete con scarpa

avanzataQcr

esce

nte


Prova SPT

PROVA PENETROMETRICA DINAMICA (SPT)

La prova penetrometrica dinamica S.P.T. (Standard Penetration Test) è laprova in sito più diffusa ed utilizzata nel mondo (semplicità operativa, bassocosto, vasta letteratura per l’interpretazione dei risultati).

Viene determinata la resistenza offerta dal terrenoalla penetrazione dinamica di un campionatoreinfisso a partire dal fondo di un foro di sondaggio odi un foro appositamente eseguito ( = 60200 mm)e subordinatamente di prelevare piccoli campioni(disturbati)

La prova S.P.T. consiste nel far cadereripetutamente un maglio, del peso di 63,5 kgf,da un’altezza di 760 mm, su una testa di battutafissata alla sommità di una batteria di aste allacui estremità inferiore è avvitato uncampionatore di dimensioni standardizzate.

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Prova SPT

MISURE SPT

il numero di colpi di maglio N1 necessario a produrre l’infissione per i primi15cm (tratto di avviamento) inclusa l’eventuale penetrazione quasi staticaper gravità,

il numero di colpi di maglio N2 necessario a produrre l’infissione per altri15cm,

il numero di colpi di maglio N3 necessario a produrre l’infissione perulteriori 15cm.

Complessivamente, durantela prova, il campionatoresarà infisso di:15+15+15=45cm

Si assume quale resistenzaalla penetrazione il parametro:

NSPT = N2 + N3

magliotesta di

battuta

int = 35 mmest = 50 mm

Durante la penetrazione vengono misurate:

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Prova SPT

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATIDato il carattere empirico dei metodi di interpretazione dei risultati dellaprova S.P.T. è assolutamente necessario seguire in modo scrupoloso laprocedura di riferimento (ISSMFE, 1988).

I risultati della prova sono infatti influenzati: dalle caratteristiche del campionatore dalle dimensioni delle aste dal sistema di battitura dalla tecnica di perforazione dalle dimensioni del foro

N.B. Quando una o più di questi fattori vengono modificati rispetto alprocedura standard, esistono degli opportuni fattori correttivi per ilparametro NSPT (anche quando le misure vengono effettuate sotto falda).

L’indice NSPT è una misura indiretta dell’energia necessaria a determinarela rottura del terreno.

la resistenza al taglio (f) può essere stimata con una correlazione di tiposecondario con il valore di NSPT f = f(NSPT) 27/75


Prova SPT

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

Terreni a grana grossa:f =’ tg’

Rottura in condizioni drenate (o quasi) e c’=0’ prop. ’v0

NSPT = f(’v0 DR)

’picco = f(DR)

Profondità della misuraCampione disturbato

in cui pa =patmpa=100 se ’v0 (kPa)pa=1 se ’v0 (kgf/cm2)

Gibbs e Holtz (1957)

1. Correlazioni tra DR e NSPT

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Prova SPT

6,05,1222,0

FND SPT

R

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

14p

8,16p

65,0Fa

'0v

2

a

'0v

7,0p

N21,0D

a

'0v

SPTR

Gibbs e Holtz (1957)

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

( ' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

Meyerhof (1957)

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Prova SPT

30/75

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

0,2

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

2R

a

'0v

SPT Dp

024,124,320N

2R

a

'0v

SPT Dp

1,4120N

732,0

pa

'0v

732,0pa

'0v

Bazaara (1967)per sabbie sovraconsolidate o costipate

60NC

D SPTNR

con

cona

'0v

N

p1

2C

per sabbie finia

'0v

N

p2

3C

per sabbie grosse

Skempton (1987)

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%


Prova SPT

31/75

Yoshida e Kokusho (1989)

14,0

a

'0v57,0

SPTR p100N22,0D

14,0

a

'0v57,0

SPTR p100N18,0D

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

per sabbia fine per sabbia 75% - ghiaia 25%


Prova SPT

32/75

Yoshida e Kokusho (1989)

13,0

a

'0v44,0

SPTR p100N25,0D

12,0

a

'0v46,0

SPTR p100N25,0D

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

(' v0

/ p a

)

DR = 20%

DR = 40%

DR = 60%

DR = 80%

DR = 100%

per sabbia 50% - ghiaia 50% per tutti i terreni granulari


Prova SPT

33/75

28

32

36

40

44

0 20 40 60 80 100

DR (%)'

(°)

Sabbia fine uniforme

Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata

Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradataGhiaia media e fine e sabbia e ghiaia poco limosa

Schmertmann (1978)

L’angolo di resistenza al taglio di piccopuò essere stimato in modo indiretto apartire dal valore della densità relativaprecedentemente stimata dai risultati dellaprove SPT

2. Correlazioni tra ’ e DR

RD14,028)('

RD115,05,31)('

RD10,05,34)('

RD08,038)('


Sabbia media uniforme esabbia fine ben gradataSabbia grossa uniforme esabbia media ben gradataGhiaia media e fine esabbia e ghiaia e pocolimosa


Prova SPT

34/75

Eurocodice 7 (sabbie silicee)

28

32

36

40

44

0 20 40 60 80 100

DR (%)

' (°

)

grana fine uniformegrana fine ben gradata e grana media uniformegrana media ben gradata e grana grossa uniformegrana grossa ben gradata

DR Grana fine Grana media Grana grossa ( % ) Uniforme Ben gradata Uniforme Ben gradata Uniforme Ben gradata

40 34 36 36 38 38 41 60 36 38 38 41 41 41 80 39 41 41 43 43 44

100 42 43 43 44 44 46


Prova SPT

35/75

Wolff (1989)

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

( 'v0

/ pa

)

30°

35°

40°

45°

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

NSPT

( ' v0

/ p a

)

30°35°

40°45°

2SPTNSPTN NC00054,0NC3,01,27'

a

'0v

N

p1

2C

per sabbie fini

a

'0v

N

p2

3C

per sabbie grosse


Prova SPT

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SPT1u Nfc

Poiché la penetrazione avviene a percussione (prova dinamica), nei terreni agrana fine durante la prova nascono sovrappressioni interstiziali e la rotturaavviene in condizioni non drenate.

72,0SPTu N29kPac

Elevata dispersione

Terreni a grana fine:

f = f(resistenza al taglio non drenata cu)

Stroud (1974)

Hara et al. (1971)

N.B. correlazioni più incerte

f = f(NSPT)f = cu


Prova CPT

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La prova penetrometrica statica C.P.T. (Cone Penetration Test) è moltodiffusa in Italia (costo modesto, permette l’identificazione della successionestratigrafica lungo una verticale e la stima di molti parametri geotecnici).

PROVA PENETROMETRICA STATICA (CPT)

Può essere eseguita in tutti i terreni, escluse ghiaie e terreni duri. É autoperforante e consiste nell’infissione a pressione nel terreno, a partire dal p.c., ed alla velocità costante di circa 2 cm/sec di una punta conica avente diametro 35.7 mm e angolo di apertura 60°, collegata al dispositivo di spinta mediante una batteria di tubi.


Prova CPT

PENETROMETRO STATICOIl penetrometro statico esiste attualmente in due versioni, concaratteristiche geometriche e procedure di prova normate a livellointernazionale (ISSMFE, 1989): il penetrometro meccanico con manicotto d’attrito il penetrometro elettrico

Nei penetrometri meccanici con manicottod’attrito la punta conica è solidale con unabatteria di aste coassiali ad una tubazione dirivestimento. La parte finale, ovvero più prossimaalla punta, della tubazione di rivestimento èmobile, e costituisce il manicotto di attrito.


Prova CPT

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1) Inizialmente, esercitando una forza F1 sulle asteinterne collegate alla punta, si fa avanzare a velocitàcostante la sola punta per una lunghezza di 40 mm.

Fasi operative

L’area della punta è:

Ap = (p 3,572)/4 = 10 cm2

La pressione media alla punta durante l’avanzamento(resistenza di punta) vale:

qc = F1/Ap

2) Al termine della corsa di 40mm, viene agganciato ilmanicotto d’attrito, che ha una superficie laterale:

As = 150 cm2

Fase 0) Fase 1)

F1


Prova CPT

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3) La punta continua a penetrare trascinandosidietro anche il manicotto per altri 40 mm. Se siindica con F2 la forza necessaria a fareavanzare il penetrometro in questa secondafase, e se si fa l’ipotesi che la resistenza dipunta non sia variata rispetto al trattoprecedente, è possibile calcolare la tensionetangenziale media lungo la superficie delmanicotto (resistenza laterale locale) con larelazione:

4) Poi la spinta viene applicata alle aste esterneche, a punta ferma, raggiungono prima ilmanicotto e poi la punta, e infine fannoavanzare l’intero sistema.

fs = (F2-F1)/As

5) Il procedimento viene ripetuto ogni 20cm e lemisure di qc e fs effettuate vengono attribuiteall’intero strato attraversato.

Fase 2)

F2Fase 3)


Prova CPT

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RISULTATI DI PROVA CPT


Prova CPT

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è uno strumento semplice e robusto può operare in un campo di terreni che va dalle argille alle sabbie grosse si possono raggiungere profondità dell’ordine di 40m e oltre.

Vantaggi

Svantaggi

le resistenze alla penetrazione sono dedotte da misure di forzaeseguite in superficie (e quindi sono affette da errori dovuti al pesoproprio e alla deformabilità delle aste, ed agli attriti tra le varie partidell’attrezzatura)

la profondità delle misure è desunta dalla lunghezza delle aste equindi soggetta ad errori derivanti dalla deviazione dalla verticale

le misure di resistenza alla punta, qc, e di attrito laterale locale, fs,possono essere troppo rade (ogni 20 cm) specie per depositifittamente stratificati, inoltre non sono indipendenti fra loro e siriferiscono a profondità leggermente diverse.


Prova CPT

43/75

PENETROMETRO ELETTRICO

Nel penetrometro elettrico le misure di pressione allapunta e di tensione laterale locale sono eseguitelocalmente ed in modo fra loro indipendente contrasduttori elettrici che inviano un segnale allacentralina posta in superficie.Un inclinometro alloggiato nelle aste permette dimisurare la deviazione dalla verticale e dicorreggerne gli errori conseguenti.La frequenza delle misure può essere anche moltoridotta, tipicamente ogni 2-5 cm, e i dati sonodirettamente acquisiti in forma numerica.I limiti risiedono nel maggiore costo dello strumento,e negli errori derivanti dalle componenti elettroniche(non linearità e isteresi delle celle di pressione,sensibilità alle variazioni di temperatura,calibrazione).

Il penetrometro elettrico costituisce la naturaleevoluzione del penetrometro meccanico e ne superain parte i limiti.


Prova CPT

44/75

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI

L’analisi dei risultati di prove C.P.T. consente in primo luogo ilriconoscimento litologico dei terreni attraversati e la ricostruzione dellasuccessione stratigrafica

Questa prima fase interpretativa è essenziale e necessaria per ogniulteriore interpretazione geotecnica delle misure effettuate.

Riconoscimento stratigrafico

Infatti durante la prova vengono misurate le resistenze di punta e diattrito laterale opposte dal terreno nelle condizioni di rottura determinatedalla penetrazione dello strumento con una velocità imposta e costantedi 2 cm/sec.A seconda della permeabilità del terreno attraversato la rottura avviene incondizioni drenate o non drenate. Pertanto il modello interpretativo delfenomeno della rottura, e quindi la successiva deduzione dellecaratteristiche meccaniche a partire dalle grandezze misurate, ècondizionato dal tipo di terreno cui si riferiscono i dati di resistenzamisurati


Prova CPT

45/75

(valida per penetrometro meccanico)Schmertmann (1978)

in ascissa il rapporto d’attrito o di frizione o delle resistenze,(in scala naturale)

100c

sf q

fR

in ordinata la resistenza di punta(in scala logaritmica)

qc [FL-2]

[-]


Prova CPT

46/75

(valida per penetrometro elettrico)Robertson (1990)

in ascissa il rapporto d’attritonormalizzato,(in scala logaritmica)

in ordinata la resistenza di puntanormalizzata(in scala logaritmica)

[-]1000

vc

s

qfF

[-]n

v

a

a

vc pp

qQ

'

0

0

(-1.22;3.47)

Ic

236.1log36.0log27.0

a

cf

w pqR

N.B. 1 = “terreni sensitivi a grana fine”.8 = “da sabbie molto dense a sabbie argillose fortemente sovraconsolidate o

cementate”9 = “materiali fini granulari molto duri, fortemente sovraconsolidati o

cementati”.


Prova CPT

Indice di tipo del terreno, Ic

21n

21n,c )47.3Q(log)22.1F(logI

47/75

3.60 < IC CLASSE 2 TERRENO ORGANICO, TORBA2.95 < IC ≤ 3.60 CLASSE 3 ARGILLE. DA ARGILLE AD ARGILLE LIMOSE2.60 < IC ≤ 2.95 CLASSE 4 LIMI. DA LIMI ARGILLOSI A ARGILLE LIMOSE2.05 < IC ≤ 2.60 CLASSE 5 SABBIE. DA SABBIE LIMOSE A LIMI SABBIOSI1.31 < IC ≤ 2.05 CLASSE 6 SABBIE. DA SABBIE PULITE A SABBIE LIMOSE1.31 > IC CLASSE 7 DA SABBIE GHIAIOSE A SABBIE

È possibile determinare per ogni coppia di misure, e quindi per ognistrato investigato, un indice del tipo di terreno:

che corrisponde al raggio degli archi di cerchi del diagramma diRobertson per la classificazione dei terreni


Prova CPT

Determinazione di n

a) Passo 1

1000

vc

s

qfF

n=1

'0v

0vc1n

qQ

21n

21n,c )47.3Q(log)22.1F(logI

b) Passo 2

Ic ≥ 2.6

Ic < 2.6

n=1

'0v

0vc1n

qQ

1000

vc

s

qfF

1000

vc

s

qfF

5,015,0p

05,0I381,0na

'0v

1n,c

n

v

a

a

vc pp

qQ

'

0

0

48/75


Prova CPT

49/75

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40

qc (MPa)Z (m

)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

fs (MPa)

Z (m

)

zw = 7.8 m

ESEMPIO


Prova CPT

50/75

Carta di Robertson

1

10

100

1000

0,1 1 10F

Q

7

6

5

4

3

3

1

8

9

2

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5

Ic

Z (m

)

2 –

Teer

enio

rgan

ici,

torb

e

3 –

Da

argi

llead

arg

ilelim

ose

4 –

Da

limia

rgilo

siad

arg

ille

limos

e5

–D

a sa

bbie

limos

ea

limis

abbi

osi

6 –

Da

sabb

iepu

lite

a sa

bbie

limos

e

7 –

Da

sabb

iegh

iaio

sea

sabb

ie


Prova CPT

51/75

L’avanzamento del penetrometro statico in terreni sabbiosi avvienegeneralmente in condizioni drenate, ed è quindi possibile interpretarne irisultati in termini di tensioni efficaci.

1. Terreni sabbiosi

Per la stima dei parametri geotecnici dei terreni sabbiosi si utilizzacomunemente la densità relativa, come parametro intermedio, sebbene siastato dimostrato che anche la compressibilità della sabbia (che dipendedalla mineralogia) e lo stato di tensione in sito (che dipende dallaprofondità, dal rapporto di sovraconsolidazione e dall’età del deposito)siano fattori molto influenti sulla resistenza penetrometrica di punta.La resistenza alla punta qc è una misura indiretta dell’energia necessaria adeterminare la rottura del terreno.

la resistenza al taglio (f) può essere stimata con una correlazione di tiposecondario con il valore di qc f = f(qc)

Stima dei parametri del terreno


Prova CPT

52/75

f =’ tg’Rottura in condizioni drenate (o quasi) e c’=0

’ prop. ’v0

qc = f(’v0 DR)

’picco = f(DR)

Profondità della misuraCorrelazione empirica

Jamiolokowski et al.(1985)(per sabbie silicee NC non cementate

e di recente deposizione

1. Correlazioni tra DR e qc

5,0'

0

log6698v

cr

qD

con qc e ’v0 espressi in t/m2

(1 t/m2 10 kPa) Influenza della compressibilità


Prova CPT

53/75

1'02

ln1C

cr

Cq

CD

per sabbie silicee moderatamentecompressibili, NC, di recente deposizionee non cementate (si assume K0 = 0,45):

C0=157 C1=0.55 C2=2.41 ’ = ’v0

C0=181 C1=0.55 C2=2.61

’ = ’m = (’v0 + 2 ’h0)/3

Baldi et al.(1986)

con qc , ’ (kPa)

per sabbie OC (K0 da determinare):


Prova CPT

54/75

28

32

36

40

44

0 20 40 60 80 100

DR (%)'

(°)


Sabbia media uniforme e sabbia fine ben gradata

Sabbia grossa uniforme e sabbia media ben gradataGhiaia media e fine e sabbia e ghiaia poco limosa

Schmertmann (1978)

L’angolo di resistenza al taglio di piccopuò essere stimato in modo indiretto apartire dal valore della densità relativaprecedentemente stimata dai risultati dellaprove CPT

2. Correlazioni tra ’ e DR

RD14,028)('

RD 115.05.31)('

RD 10.05.34)('

RD 08.038)('


Sabbia media uniforme esabbia fine ben gradataSabbia grossa uniforme esabbia media ben gradataGhiaia media e fine esabbia e ghiaia e pocolimosa

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50

qc (MPa)

' v0 (k

Pa)

30 34 38 42 46


Prova CPT

55/75

L’angolo di resistenza al taglio di picco può essere stimato anche mediantecorrelazioni dirette tra ’ e qc, che evitano le approssimazioni dovute aldoppio passaggio:

3. Correlazioni tra ’ e qc

Robertson e Campanella, 1983(per sabbie quarzose non cementate)

'

0

log38.01.0arctan'v

cq

20

25

30

35

40

45

50

55

0 200 400 600 800 1000

(qc/'v0)

' ( °

)


Prova CPT

56/75

Mayne, 2006(per sabbie quarzose non cementate)

av

vc

pq

'0

0log116.17'


Prova CPT

57/75

Poiché la prova CPT misura la resistenza a rottura del terreno, lecorrelazioni per la stima della rigidezza del terreno dai risultati di tale tipo diprova hanno necessariamente carattere empirico e devono essere utilizzatecon cautela

4. Correlazioni tra rigidezza e qc

Robertson e Campanella, 1983(per sabbie quarzose non cementate, NC)

c25 q2E

dove E25 il modulo di Young secante, drenato, per un livello di sforzo mobilitatopari al 25% di quello a rottura (FS =4)

Robertson, 2010(per sabbie non cementate, prevalentemente silicee)

dove E’ è il modulo di Young secante, drenato, per una deformazione di circa 0.1%

0vc)68,1Ic55,0( q10015,0'E


Prova CPT

58/75

Robertson, 1992

dove G0 è modulo di rigidezza a piccole deformazioni, legato alla velocità dipropagazione delle onde di taglio S nel terreno, VS (m/s), mediante la correlazioneprimaria ( = densità del terreno):

Rix e Stokoe, 1992

5,0

a

0vc68,1I55,0

pq

10Vs c

0vc68,1I55,0

0 q100188,0G c

20 SVG

75,0

'0v

c

c

0 q1634

qG

con G0, qc, ’v0 in kPa

Una stima approssimata della conducibilità idraulica (ovvero del coefficientedi permeabilità) dei terreni può essere ottenuta mediante la seguentecorrelazione con l’indice di tipo di terreno Ic

4. Correlazioni tra conducibilità idraulica e qc

Robertson 2010

per 1 < IC ≤ 3.27Ick 04.3952.0)log(

Ick 37.152.4)log( per 3.27 < Ic ≤ 4


Prova CPT

59/75

con 5 < Nk < 21 (cresce con IP)Nk = 20 per penetrometro meccanicoNk = 14 per penetrometro elettricok

vcu N

qc 0

L’avanzamento del penetrometro statico in terreni a grana fine saturiavviene generalmente in condizioni non drenate, ed è quindi possibileinterpretarne i risultati in termini di tensioni totali.

96.0' 243.0 cc q con ’c e qc espressi in Mpa01.1

'0

037.0

v

vcqOCR

2. Terreni a grana fine

1. Correlazioni tra cu e qc

2. Correlazioni tra pressione di consolidazione’c (OCR) e qc

Mayne e Kemper, 1988

resistenza al taglio non drenata cu= f(qc)f = f(qc) f = cu


Prova CPT

60/75

È possibile anche stimare il modulo edometrico, ovvero il modulo dideformazione in condizioni di deformazioni laterali impedite:

3. Correlazioni tra M e qc

Robertson 2009

0vcM qM

con:

14p

pq

Qn

'0v

a

a

0vc

Ic ≤ 2.2

M = Q se

M = 14 se Q = 14

Ic > 2.2

68.155.01003.0 IcM


Prova CPTU

61/75

La prova CPTU viene effettuata con un penetrometro elettrico modificato(piezocono) munito di uno o più elementi porosi (filtri) per la misura dellepressioni interstiziali.

PROVA COL PIEZOCONO (CPTU)

La prova viene effettuata secondo le stesse modalità della prova CPT (con penetrometro elettrico) e, in terreni saturi sotto falda, consente una misura (quasi) continua: della resistenza di punta, qc della resistenza laterale, fs delle pressioni interstiziali

(u1, u2 e u3)La misura delle pressioni interstiziali, peressere affidabile, richiede la completasaturazione del filtro e può essere effettuataa penetrometro fermo (prove didissipazione) o in movimento.

OSS. Inoltre essendo la misura delle pressioni neutre in genere più sensibilealle variazioni del tipo di terreno, rispetto alle misure di qc, si possonomeglio individuare sottili stratificazioni ed intercalazioni di terreno.


Prova CPT

62/75

La prova CPTU, mediante la misura contemporanea della resistenza allapunta qc e della pressione interstiziale ui consente, rispetto alla prova CPT,di delineare meglio la stratigrafia di un deposito ed in particolare gli strati adifferente permeabilità. Siccome la penetrazione avviene a velocitàcostante (2 cm/s):

INTERPRETAZIONE DELLA PROVA CPTU

nelle sabbie ,la penetrazione avviene in condizioni drenate, senzaapprezzabili variazioni della pressione interstiziali: si hanno valori diqc alti, associati a valori di ui prossimi a quelli relativi alle condizioni inizialidi equilibrio della falda (ui = u0);

nelle argille, la penetrazione avviene in condizioni non drenate, e sigenerano sovrappressioni interstiziali: si hanno valori di qc bassi (nel casodi terreni NC), associati a valori di ui più alti di quelli relativi alle condizioniiniziali di equilibrio della falda (ui = u0 + u).


Prova CPT

63/75

Per l’interpretazione della prova occorre utilizzare la resistenza di puntacorretta, qt, che tiene conto della differenza tra l’area della punta, Ac, el’area della parte del cono che agisce direttamente sulla cella di carico, An:

)a1(uqq 2ct dove 0.55 < a=An/Ac < 0.9 dipende dal piezocono

e si definisce il rapporto delle pressioni interstiziali:

0vtq q

uB

in cui v0 rappresenta la tensione verticale totale presente in sito.

N.B. Al di sopra del livello di falda, e quindi in terreni insaturi o comunquecon pressione interstiziale negativa, i risultati delle prove CPTU possonoessere interpretati come quelli delle prove CPT.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8

u (MPa)

Z (m

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,1 0,2

fs (MPa)

Z (m

)


Prova CPT

64/75

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10,49 20,99 31,48 41,97

qt (MPa)

Z (m

)

RISULTATI DI PROVA CPTU

u0

Terrenoincoerente

Terrenocoesivo


Prova CPT

65/75

Esistono dei diagrammi analoghia quelli già visti per la prova CPTper la classificazione dei terreniche tengono conto anche dellamisura delle pressioni interstizialiIl numero di campi si riferisce allestesse categorie di terrenodell’analogo per prove CPT).


t

2102

qt10c Flog3.15.11B1Qlog3I


Prova CPT

66/75

Tutte le correlazioni proposte per la prova CPT (così come anche laclassificazione litologica) valgono anche per la prova CPTU, conl’avvertenza di sostituire qc con qt (in genere qc qt)

Stima dei parametri del terreno

La misura della pressione interstiziale durante la penetrazionepermette un’interpretazione del fenomeno della rottura in termini ditensioni efficaci e quindi una stima dei parametri c’ e ’ anche per iterreni a grana fine:

Mayne, 2006

QBB qq log336.0256.05.29' 121,0

(per terreni a grana fine NC o debolmente OC, con 20° < ’ < 45°, 0.1 < Bq< 1


Prova CPT

PROVE DI DISSIPAZIONECol piezocono possono anche essere effettuate, in corrispondenza diterreni coesivi, misure di dissipazione, che consistono, una voltaarrestata la penetrazione, nel misurare la velocità di riduzione nel tempodella sovrappressione iniziale (conseguente alla rottura in condizioni nondrenate) per la stima delle caratteristiche di permeabilità e consolidazionedel terreno.

Da tali curve si ricavano (con un modello interpretativo di consolidazione orizzontale):

il coefficiente di consolidazioneorizzontale,cH = f(t50)

il coefficiente di permeabilitàorizzontale, kH = f(t50)

Valore iniziale (arresto),ui

Valore finale (idrostatico), u0

t50


Prova CPT

68/75

Se ui = u2 (filtro alla base del cono)

con cH (cm2/s) e t50 (s)50

63.11t

ch

25,150t251

1k

con k (cm/s) e t50 (s)


Prova DMT

69/75

Il dilatometro piatto o dilatometro di Marchetti, ideato in Italia negli anni’80, ha avuto un grande successo internazionale ed è attualmenteutilizzato in tutto il mondo. La prova è semplice ed economica, mapermette di stimare, mediante correlazioni empiriche, la litologiaattraversata e numerose proprietà geotecniche di resistenza e dideformabilità.

PROVA DILATOMETRICA (DMT)

La prova consiste nell’infissionea pressione nel terreno, ottenutautilizzando la stessa procedura elo stesso dispositivo di spintadel penetrometro statico, di unsistema di aste che termina inuna lama d’acciaio di forma edimensioni standardizzate, al cuicentro è posizionata unamembrana piana di formacircolare.


Prova DMT

70/75

PROVA DILATOMETRICA (DMT)

dove:’v0 è la tensione verticale efficace,u0 è la pressione interstiziale in sitoalla profondità della prova.

00

01d up

ppI

0V

00d '

upk

INDICE DEL MATERIALE

01d pp7.34E

INDICE DI TENSIONE ORIZZONTALE

MODULO DILATOMETRICO

Ogni 20 cm di penetrazione lo strumento è arrestato per la determinazionedegli indici della prova, che consiste nell’immissione, attraverso un cavopneumatico interno alle aste, di un gas in pressione che determinal’espansione della membrana.Si registrano due valori di pressione:- la pressione p0, (inizio dell’espansione della membrana contro il terreno). la pressione p1 (spostamento del centro della membrana di 1,1 mm)


Prova DMT

71/75


La classificazione del terreno,la consistenza dei terreni agrana fine e la densità deiterreni a grana grossa, siottengono dagli indici dellaprova DMT


Prova DMT

72/75

- Coefficiente di spinta a riposo, K0

6,05,1

47,0

,0

D

DMTK

K

- Grado di sovraconsolidazione, OCR

56,15,0 DDMT KOCR

- Resistenza al taglio non drenata, cu

25,1', 5,022,0 DvoDMTu Kc

- Angolo di resistenza al taglio, ’

DDDMT KK 2log1,2log6,1428'

per Id < 1,2

per Id < 1,2

per Id < 1,2

per Id > 1,8

Stima dei parametri di deformabilità e resistenza


Prova DMT

73/75

- Modulo edometrico, MDMT

DMDMT ERM

6,0DI DM KR log36,214,0

3DI DM KR log25,0

36,0 DI DMMM KRRR log5,2 00

6,015,014,00 DM IR

10DK DM KR log18,232,0

85,0MR 85,0MRse

se


Prova DMT

74/75

PROFILO DILATOMETRICO INTEPRETATO


Prova DMT

75/75

PROVE DI DISSIPAZIONECol dilatometro possono anche essere effettuate, in corrispondenza diterreni coesivi, misure di dissipazione (DMTA), che consistono, unavolta arrestata la penetrazione della lama, nel misurare la velocità diriduzione nel tempo della pressione esercitata dal terreno sullamembrana (curve di dissipazione).

Da tali curve si ricavano (adottandoun modello interpretativo diconsolidazione orizzontale):

flex

2

h Tcm7c

h

whDMTA,h M

ck

DMTh MKM 0con

il coefficiente di consolidazioneorizzontale (cH)

il coefficiente di permeabilitàorizzontale (kH)

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di ...geotecnica.dicea.unifi.it/less_sit_12_13.pdf · “INDAGINI IN SITO” UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di