6. LE INDAGINI IN SITU
6.1 Introduzione
Nella fase iniziale di questa tesi è stata fatta una ricerca, presso enti pubblici e studi privati, di indagini geotecniche in situ effettuate sulle coperture dell’arenaria Macigno nel bacino del fiume Serchio. Con tale ricerca, di cui parleremo nel capitolo successivo, sono stati acquisiti sondaggi geognostici, sia a distruzione di nucleo che a carotaggio continuo, e prove penetrometriche dinamiche.
I sondaggi consentono un’ispezione diretta del terreno e sono quindi utilizzati per la ricostruzione stratigrafica degli strati attraversati e per il prelievo di campioni rappresentativi, da sottoporre successivamente a prove di laboratorio. Tali indagini però presentano degli svantaggi, tra cui l’elevato costo e la difficoltà di esecuzione in aree di difficile accesso.
Per cui, sia in ambito pubblico che privato, la scelta del metodo di indagine da utilizzare nella ricostruzione del modello geologico del sottosuolo e nella determinazione dei parametri geotecnici caratteristici del terreno ricade, in prevalenza, su prove in situ di tipo indiretto come le prove penetrometriche. Infatti, tali prove comportano costi più bassi e tempi di analisi minori.
In seguito verranno descritte le principali modalità esecutive delle indagini geotecniche trattate, facendo riferimento alle principali raccomandazioni e alle normative vigenti sia in ambito nazionale che europeo.
6.2 I sondaggi
I sondaggi hanno i seguenti obbiettivi:
− Ricostruzione del profilo stratigrafico del terreno: mediante la campionatura completa dei litotipi attraversati dall’utensile di perforazione, la ricostruzione del profilo granulometrico. Viene compilata la colonna litostratigrafia del sondaggio, integrata con le ulteriori informazioni previste nella compilazione del log-stratigrafico, e con l’interpretazione geologica del materiale estratto;
− Prelievo di campioni indisturbati finalizzati alla determinazione di parametri geotecnici mediante prove di laboratorio;
− Porre in opera eventuale strumentazione geotecnica e consentire l’esecuzione di alcuni tipi di prove in sito per la determinazione delle proprietà geotecniche del terreno;
− Effettuare rilievi e misure sulle falde acquifere;
− Tarare le eventuali metodologie sismiche di superficie e le eventuali prove penetrometriche;
− Permettere l’eventuale esecuzione della prova Down-Hole per la determinazione puntuale delle velocità di propagazione delle onde P ed SH.
Se l’obbiettivo del sondaggio è quello di individuare il profilo stratigrafico del terreno e di prelevare campioni per le indagini di laboratorio, il sondaggio deve essere eseguito con attrezzature che consentano il prelievo di carote continue; la perforazione in questo caso viene definita a carotaggio continuo. Se lo scopo è invece quello di raggiungere una determinata profondità, ad esempio per installare uno strumento di misura o prelevare un campione, è possibile utilizzare attrezzature che disgregano il terreno, portando in superficie i frammenti in sospensione del fluido di perforazione. In questo secondo caso si parla di sondaggio a distruzione di nucleo.
6.2.1 Perforazione a rotazione
La perforazione a rotazione è eseguita mediante un utensile che ruota sul fondo del foro staccando frammenti di materiale (Fig. 6.1). Per eseguire il foro è spesso indispensabile la circolazione di un fluido (acqua, fango od aria compressa) immesso nel foro attraverso le aste (circolazione diretta) o lungo le pareti del foro stesso (circolazione inversa). La profondità e il diametro del foro dipendono solo dalla potenza e dal tipo di macchinari impiegati; per le indagini geotecniche si adottano generalmente diametri compresi tra 75 e 150 mm.
Le attrezzature di perforazione sono di due tipi: tavole di rotazione e sonde di rotazione. La tavola di rotazione (tavola rotary) fa ruotare l’utensile tagliente, a fondo foro, mediante una batteria di aste rigide, la prima delle quali è a sezione quadrata. La sospensione delle aste avviene per mezzo di un cavo assicurato ad un sistema di pulegge azionato da un argano. La sonda a rotazione differisce dalla precedente perché è lo stesso sistema di sospensione che assicura la rotazione delle aste. Queste ultime sono a sezione circolare ed hanno lunghezze di 3 o 6 metri. Il treno di sonda, per entrambe le attrezzature, è costituito dalle aste di collegamento (che sono cave, per permettere il passaggio del fluido di circolazione), dalla testa di iniezione (che permette all’acqua o al fango di penetrare nelle aste), dall’utensile di perforazione e, eventualmente, dal carotiere.
Fig. 6.1 – Schema dell’attrezzatura di
Le tecniche variano a seconda dei casi, dal tipo di risultati da ricercare, dalla profondità che si vuole raggiungere o dal dettaglio richiesto. Se l’obbiettivo del sondaggio è quello di individuare il profilo stratigrafico del terreno e di prelevare campioni per le indagini di laboratorio, il sondaggio deve essere eseguito con attrezzature che consentano il prelievo di carote continue; la perforazione in questo caso viene definita a carotaggio continuo. Se lo scopo è invece quello di raggiungere una determinata profondità, ad esempio per installare uno strumento di misura o prelevare un campione, è possibile utilizzare attrezzature che disgregano il terreno, portando in superficie i frammenti in sospensione del fluido di perforazione. In questo secondo caso si parla di sondaggio a distruzione di nucleo.
6.2.2 Sondaggi a distruzione di nucleo
I sondaggi a distruzione di nucleo vengono utilizzati quando non interessa il prelievo continuo di campioni. Come utensili di perforazione possono essere utilizzati degli scalpelli (per terreni teneri) (Fig. 6.2), triconi o utensili diamantati (per terreni duri) (Fig. 6.3). Tali utensili, ruotando attorno al proprio asse, scavano l’intera sezione del foro staccando detriti di roccia (cuttings) che vengono portati in superficie dal fluido di circolazione (aria, fango o acqua), che dopo aver deposto il detrito in vasche di decantazione, viene riciclato.
Fig. 6.2– scalpelli per perforazioni a distruzione di
nucleo (da CETRARO, 2007) Fig. 6.3–utensili per perforazione in terreni duri (da CETRARO, 2007).
Il recupero del materiale frantumato avviene in due modi: a circolazione diretta e a circolazione inversa. Nel primo caso il fluido è introdotto all’interno delle aste per mezzo di una pompa idraulica e fuoriesce all’estremità inferiore della sonda, attraverso un sistema di fori nell’attrezzo perforante. Risale poi in superficie, assieme al materiale frantumato, attraverso l’intercapedine formata dal tubo camicia e dalla batteria di aste.
Nella circolazione inversa invece, il fluido viene fatto fluire nell’intercapedine formata dalle pareti del foro con le aste, ed è recuperato dall’interno delle aste di perforazione.
Le perforazioni a distruzione di nucleo possono essere effettuate, anche, mediante sondaggi a percussione o sondaggi eseguiti con elica. Nei primi, l’utensile di perforazione (scalpello o curetta) viene fatto avanzare nel terreno per battitura con maglio o per caduta. Nei sondaggi eseguiti con elica invece, viene utilizzata un’elica collegata ad una barra (Kelly), che viene alternativamente spinta ed estratta dal terreno. Può essere utilizzata anche un’elica continua per mezzo della quale si possono raggiungere profondità fino a 50 m.
6.2.3 Sondaggi a carotaggio continuo
L’utensile di perforazione è costituito da una corona dentata, di diametro compreso tra 75 e 150 mm, collocata all’estremità inferiore di un carotiere. La lunghezza del carotiere è generalmente di 1,5 – 3 m, e alla base di esso c’è un estrattore che è costituito da un anello metallico a forma tronco-conica che, allargandosi, lascia passare la carota in entrata; però, quando il carotiere viene sollevato, resta solidale con essa e evita che esca dallo stesso foro da cui è entrata. Le carote che vengono estratte non rappresentano sempre il 100% della roccia perforata. Infatti, specie se questa è a granulometria fine, friabile o molto fratturata, la frazione sottile viene dilavata dal fluido di circolazione. Per evitare questo inconveniente vengono utilizzati dei carotieri doppi (Fig. 6.4b) i quali, a differenza di quelli semplici (Fig. 6.4a) riducono sia la quantità di fluido a contatto con la carota che i relativi tempi di interazione.
Per eseguire il foro è spesso indispensabile la circolazione di un fluido (acqua, fango o aria compressa) immesso nel foro attraverso le aste (circolazione diretta) o lungo le pareti del foro stesso (circolazione inversa). Questa ha il vantaggio di aumentare sensibilmente la velocità di avanzamento ma rende più complicato il carotaggio di materiali teneri o poco coesivi. Per questi terreni, per evitare fenomeni di dilavamento o rammollimento del materiale, si può sospendere l’immissione di fluido di perforazione, ricorrendo a una serie di manovre a secco.
Fig. 6.4 –Schema di carotiere semplice (a) e doppio (b) per
perforazioni a carotaggio.
La perforazione a carotaggio continuo risulta molto lenta e costosa in quanto, con le normali attrezzature, è necessario sfilare tutta la colonna di aste per recuperare il carotiere quando è pieno. Esistono, comunque, impianti di perforazione che rendono più veloce la manovra in quanto eseguono automaticamente lo sviamento e l’avvitamento delle aste. In alternativa possono essere utilizzati dei carotieri a cavo (wire-line) che consentono l’estrazione della carota senza sfilare il treno di aste; infatti, poiché il carotiere è posto all’interno di quest’ultimo, quando è riempito può essere riportato in superficie utilizzando un apposito strumento di pescaggio e, mentre si procede allo svuotamento dell’attrezzo estratto, la perforazione può continuare facendo subito scendere un altro carotiere nel foro.
6.2.4 Prelievo di campioni
Con il termine campione indisturbato si indica un campione che conserva struttura, contenuto d’acqua e composizione chimica del terreno in situ (LANCELLOTTA 2004). Tale campione è rappresentativo ai fini della determinazione delle proprietà fisico-meccaniche dei terreni.
Il prelievo di campioni indisturbati deve essere eseguito con tecniche e strumenti adatti alle caratteristiche del terreno. Prelevare campioni in terre incoerenti, generalmente, non è possibile con mezzi ed apparecchiature semplici.
In base al grado di disturbo che i campioni presentano, ovvero in base alla qualità di informazioni geotecniche che da essi si possono ricavare, i campioni stessi sono classificati come indicato in Tab. 6.1.
Tab. 6.1– Classi di qualità dei campioni (da AGI, 1977).
Per la determinazione delle caratteristiche meccaniche (resistenza al taglio, deformabilità e permeabilità) il campione deve avere le dimensioni minime di 100 mm di diametro e di 600 mm di lunghezza. In terreni ad elevata consistenza il diametro dei campioni può ridursi a 80 mm (AGI, 1977).
La qualità del campione prelevato dipende dalla modalità di infissione del campionatore. In terreni coerenti a grana fine, poco o moderatamente consistenti, si possono utilizzare campionatori aperti a pareti sottili, detti anche Shelby, (Fig. 6.5); i quali vengono infissi a pressione, e l’avanzamento si può ottenere sia con dispositivi idraulici, sia con dispositivi meccanici. Durante il campionamento l’avanzamento deve essere continuo, senza interruzioni e con velocità nell’ordine di 150/300 mm/s (HVORSLEV, 1949).
Per evitare che il materiale rimaneggiato entri nel campionatore, dal fondo foro o dalle pareti, si può ricorrere a campionatori a pistone (Fig. 6.6). Questi vengono spinti da un pistone mobile che scorre su un’asta collegata al pistone fisso e a fine corsa la pressione sul pistone mobile viene eliminata con l’entrata in funzione dei tubi di scarico (LANCELLOTTA, 2004).
In terreni coesivi molto consistenti, dove non è possibile l’infissione di campionatori a pressione, si può ricorrere all’uso di campionatori doppi, come il campionatore Mazier. Questi campionatori sono composti da una tubazione esterna alla quale è applicata la rotazione e da un tubo interno spinto a pressione; per impedire che il fluido di circolazione venga a contatto con il campione è indispensabile che la scarpa del tubo interno sporga rispetto al tubo esterno.
Fig. 6.5– Esempio di campionatore a pareti sottili (da
AGI, 1977).
Fig. 6.6– Campionatore a pistone (da Terzaghi e
6.3 Prove penetrometriche
Attraverso le prove penetrometriche viene misurata la resistenza alla penetrazione di un utensile standardizzato nel terreno. Questa tipologia di prova può essere distinta in prove penetrometriche statiche dette anche CPT (Cone Penetration Test) e in prove penetrometriche dinamiche.
Nella prima categoria la prova consiste nell’infissione a pressione nel terreno di una punta d’acciaio chiusa di forma conica e di dimensioni standard, misurando separatamente, ma in modo continuo, lo sforzo necessario per la penetrazione della punta, la forza di attrito laterale tra il terreno ed un manicotto di acciaio posto sopra la punta ed eventualmente la pressione della fase liquida nei pori durante l’avanzamento della punta. Questa prova è eseguibile nei terreni sabbiosi ed in quelli fini (limi e argille), mentre è quasi impossibile nei terreni contenenti ghiaia, specie se abbondante e medio-grossa perché l’utensile penetratore ha difficoltà ad avanzare.
Le coperture detritiche del Macigno generalmente possono essere classificate come terreni granulari contenti sabbia e ghiaia in proporzioni variabili in una matrice fine, essendo presente la ghiaia l’esecuzione di prove CPT risulta difficoltosa se non impossibile per cui di solito vengono eseguite su questi tipi di terreni prove penetrometriche dinamiche che non risentono della presenza di elementi a grana grossa. Infatti, per la caratterizzazione delle coperture sono state utilizzate esclusivamente quest’ultime prove che verranno descritte nel dettaglio nei paragrafi che seguono.
6.3.1 Prove penetrometriche dinamiche
Lo scopo delle prove penetrometriche dinamiche è quello di determinare la resistenza che il terreno offre alla penetrazione attraverso il numero di colpi (NSPT, N20,
N10) necessari per infliggere, per una profondità variabile in base al tipo di penetrometro
utilizzato, un tubo campionatore o una punta chiusa di dimensioni standard mediante battitura. Queste prove si suddividono in: prove penetrometriche a punta aperta SPT (Standard Penetration Test) e in prove continue a punta chiusa indicate con la sigla DP (Dynamic Probing).
La prova SPT può essere effettuata in fori di sondaggio o in fori appositamente eseguiti, mentre la prova DP può essere eseguita direttamente dal piano campagna. Questo porta a dei vantaggi da un punto di vista economico per cui le prove DP risultano molto utilizzate nelle indagini geotecniche.
Le penetrometrie dinamiche possono essere utilizzate in qualsiasi tipo di terreno sciolto (preferibilmente in terreni granulari) ed anche nel caso di alcune rocce tenere; solamente in presenza di grossi elementi lapidei queste prove perdono di significato.
I valori misurati durante il corso della prova consentono una stima qualitativa della consistenza del terreno; inoltre, attraverso correlazioni empiriche, è possibile stimare la densità relativa (DR) e l'angolo di resistenza al taglio (ϕ’), come è stato fatto
durante questa tesi.
Le attrezzature e le modalità esecutive della prova penetrometrica standard (SPT) sono regolamentate dalla normativa ASTM (1998a); la quale, inoltre, definisce il metodo di misura di quella parte dell’energia cinetica teorica sviluppata da un colpo di maglio, che viene trasmessa effettivamente alle aste (ASTM 1998b). Le raccomandazioni AGI (1977) per le indagini geotecniche danno indicazioni sulle modalità esecutive delle prove SPT che, in alcuni casi, sono più restrittive di quelle della norma ASTM (1998a); tuttavia non sono aggiornate con la misura del rendimento energetico.
Nel 1988 l’Associazione Geotecnica Internazionale (ISSMGE), invece, ha emesso una procedura di riferimento da rispettare affinché prove penetrometriche dinamiche, pur eseguite in diversi paesi facendo ricorso a standard differenti, forniscano risultati confrontabili (DECOURT et al., 1988; STEFANOFF et al., 1988).
La prova SPT viene descritta anche dall’Eurocodice nella versione Prestandard, “ENV 1997-3; Eurocodice 7: Geotechnical Design: Part 3 – Design assisted by Fieldtesting“, il quale da indicazioni su: attrezzatura, procedura esecutiva, fattori di correzione, rendimento del sistema di battuta e influenza della lunghezza della batteria di aste. In tempi più recenti è stato redatto un documento di valore europeo ed internazionale: EN ISO 22476-3: 2002, elaborato dal “Technical Coimmittee CEN / TC 341”Geotechnical Investigation end Testing”, che può essere assunto come documento di riferimento per la prova SPT.
Per le prove penetrometriche dinamiche continue (DP) invece, si fa riferimento alla recente normativa EN ISO 22-476-2: 2003 (CEN/TC 341), tenendo comunque conto della normativa ASTM (1988a / 1988b), delle raccomandazioni AGI (1977) e alle raccomandazioni ISSMGE (1988 / 1989), già citate in precedenza.
6.3.2 La prova SPT
La prova SPT consiste nell’infissione per battitura di un tubo campionatore a fondo foro di sondaggio. La battitura viene effettuata lasciando cadere un maglio di 63,5 Kg di peso da un’altezza di 760 mm su una testa di battuta fissata alla sommità di una batteria di aste alla cui estremità inferiore è avvitato il campionatore di dimensioni standard (Fig. 6.7). Il numero di colpi necessario per ottenere una penetrazione del campionatore di 300 mm, dopo l’eventuale penetrazione statica per effetto del peso e dopo 150 mm di penetrazione dinamica per il superamento della zona a maggior disturbo, viene assunto come indice della resistenza alla penetrazione (NSPT). Inoltre con
la prova viene anche prelevato un campione disturbato utile all’identificazione dei terreni attraversati.
Descrizione dell’attrezzatura
La procedura ISSMGE prevede l’utilizzo di un tubo campionatore di acciaio indurito, con superfici interne ed esterne lisce, avente dimensioni riportate in figura 6.8a. Anche le raccomandazioni AGI (1977) prevedono le stesse dimensioni. La norma ASTM (1998a) prevede l'impiego del tubo campionatore standard tipo Raymond (Fig. 6.8b). Questo tubo, oltre la quota della scarpa, presenta un allargamento del diametro interno, da 35 a 38,1 mm; indispensabile per l'alloggiamento di un cilindro porta campione, generalmente di plastica, che per la normativa in questione tuttavia non è obbligatorio.
La procedura di riferimento (EN ISO 22476-3: 2002), come la norma ASTM, prevede un campionatore apribile longitudinalmente in due metà, per facilitare le operazioni di recupero ed esame del campione. Tale campionatore deve essere equipaggiato con una valvola di non ritorno con sufficiente apertura da permettere la fuoriuscita di acqua o di fango durante la penetrazione. Il diametro interno del tubo campionatore può essere fino a 3 mm maggiore di quello in corrispondenza della scarpa per consentire l’inserimento del cilindro portacampione, e deve essere di 35 mm (CESTARI, 2005), in accordo con le raccomandazioni AGI e ISSMGE.
In sabbie con ghiaie può essere impiegata una punta conica di acciaio del diametro di 51 mm e angolo alla punta di 60°, il cui impiego è consentito dalle raccomandazioni AGI (1977) e dalla procedura di riferimento, mentre non è consentito né dalla norma ASTM né nelle raccomandazioni ISSMGE.
Le aste di collegamento tra il dispositivo di battitura ed il campionatore devono avere una rigidezza tale da prevenire flessioni durante la battitura. La procedura di riferimento (ISSMGE) suggerisce l’impiego di aste con diametri 40.5, 50 e 60 mm. La norma ASTM (1998) prescrive l'impiego di aste aventi rigidità non inferiore a quella delle aste di perforazione di tipo "A" (diametri 41.2/28.5 mm); mentre le raccomandazioni AGI (1977) prescrivono aste di diametro non inferiore a quelle di tipo “B” (diametri 50/37 mm). La procedura EN ISO 22476-3: 2002 prevede l’utilizzo di aste di peso non superiore a 10 Kg/m.
Il dispositivo di battuta, non deve superare il peso di 115 kg, e deve essere comprensivo di:
- un maglio di acciaio del peso di 63,5 Kg;
- dispositivo di rilascio per una caduta libera del maglio di 760 mm;
- una testa di battuta d’acciaio collegata rigidamente alla sommità delle aste.
I risultati della prova SPT, ed in generale di tutte le prove penetrometriche dinamiche, sono fortemente influenzati dall’energia effettivamente trasmessa alle aste, inoltre, il numero di colpi NSPT è inversamente proporzionale al rendimento energetico
del sistema di battitura (SCHMERTMANN, 1978,1979; SCHMERTMANN & PALACIOS, 1979; KOVACS et alii., 1977, 1978; KOVACS, 1979; KOVACS & SALOMONE, 1982).
Il rendimento energetico ER è definito come il rapporto tra l’energia effettivamente trasmessa alle aste Er e l’energia potenziale del sistema Ex (pari a 474
Joule), espresso in percentuale:
ER = Er / Ex · 100 (%) (6.1)
L’energia potenziale Ex è definita come:
Ex = m g h (6.2)
dove:
g = accelerazione di gravità
h = altezza di caduta libera del maglio (0,76 m)
Da una grande quantità di dati disponibili in letteratura analizzati da Skempton (1986), risulta che i fattori che maggiormente influenzano il rendimento del sistema di battuta sono:
− il sistema di sollevamento e rilascio, a causa della diversa entità di attrito;
− il tipo di maglio e di testa di battuta, o più precisamente il rapporto di impedenza maglio/testa di battuta, dal quale dipende l’energia trasmessa alle aste.
Anche altri fattori possono influenzare il valore dell’energia che entra nelle aste con ciascun colpo di maglio, tra i quali:
− la lunghezza delle aste, che se minore di 10 m (SCHMERTMANN & PALACIOS, 1979) porta ad una perdita di energia;
− il tipo di campionatore (ISSMGE o ASTM); − il diametro del foro.
Il valore di NSPT vengono riportati ad un rapporto di energia di riferimento pari al
60%, per mezzo della seguente relazione:
N60 = NSPT· (ER/60) (6.3)
Per determinare N60è necessario misurare in campagna il rendimento energetico
di un sistema di battuta, che per la prova SPT usuale in Italia è pari al 60%.
Modalità esecutive del foro
Lo standard EN ISO e la procedura suggerita dall’ISSMGE, prescrivono che la base del foro deve essere sufficientemente pulita (le raccomandazioni AGI forniscono indicazioni più restrittive). Nel caso di perforazione a distruzione di nucleo con circolazione diretta, devono essere utilizzati scalpelli a scarico laterale, mentre sono esclusi quelli a getto assiale verso il basso. Le raccomandazioni dell’ISSMGE prescrivono che, nel caso di impiego di rivestimento provvisorio, l’utensile di perforazione deve avere un diametro non superiore al 90% di quello interno del rivestimento. Il diametro del foro deve essere compreso tra 63,5 e 150 mm; limiti circa
identici sono indicati dalla norma ASTM (1998a), mentre le raccomandazioni AGI (1977) sono meno restrittive (diametro compreso tra 60 e 200 mm). Secondo lo standard EN ISO, il diametro del foro influisce sul risultato quando è pari o maggiore di 150 mm. In aggiunta a quanto detto precedentemente lo standard EN ISO prescrive che: la perforazione non deve essere spinta oltre la profondità di inizio prova, l’eventuale rivestimento provvisorio non deve essere inserito sotto la profondità prefissata e il livello del fluido nel foro deve essere pari o maggiore di quello esterno della falda.
Modalità esecutive della prova
Il campionatore viene posizionato a fondo foro tramite la batteria di aste, dopodiché viene assemblato il dispositivo di battitura. La penetrazione iniziale, dovuta al peso delle aste e del dispositivo di battuta, deve essere registrata. Si procede quindi all’infissione di un tratto iniziale di 150 mm, annotando il numero di colpi (N0)
necessari alla penetrazione. Successivamente il campionatore viene fatto penetrare per un tratto di 300 mm, in due incrementi di 150 mm ciascuno. Il numero di colpi necessari ad infiggere il campionatore di 300 mm rappresenta la resistenza alla penetrazione. Secondo la procedura ISSMGE la prova viene interrotta al raggiungimento di 50 colpi per la penetrazione del tratto iniziale o di 100 colpi per la penetrazione del tratto di prova di 300 mm. Le raccomandazioni AGI si discostano in parte da questa procedura, in quanto includono nel tratto preliminare di avanzamento pari a 150 mm l’eventuale penetrazione dovuta al peso proprio.
La norma ASTM (1998a) prevede l’interruzione della prova al raggiungimento di 50 colpi (rifiuto) in ciascuno dei tre tratti da 150 mm, oppure al raggiungimento di 100 colpi complessivi, oppure quando non si registra un’apprezzabile penetrazione dopo l’applicazione di 10 colpi successivi; CESTARI (2005) propone di adottare come riferimento tale norma. Lo standard EN ISO 22476-3-2002 infine, prevede che la prova possa essere arrestata quando durante la penetrazione dei 300 mm finali si raggiungono 50 colpi, 100 nel caso di rocce tenere).
È di buona norma controllare, prima dell’esecuzione di una serie di prove, le dimensioni del campionatore e la rettilineità delle aste, tramite una verifica visiva. Nel sito di prova deve essere eseguita inizialmente una verifica dell’altezza di caduta, della
caduta libera (senza attriti) del maglio, delle condizioni della testa di battuta e del meccanismo di sganciamento del maglio (CESTARI, 2005).
6.3.3 Prove penetrometriche dinamiche continue (DP)
La prova penetrometrica dinamica consiste nell’infiggere verticalmente nel terreno, mediante battitura, una punta conica di dimensioni standard. La battitura viene effettuata lasciando cadere un maglio di dato peso da un’altezza costante. L’energia del maglio viene trasmessa alla punta attraverso una testa di battuta collegata alla punta attraverso la batteria di aste (LO PRESTI & PACI, 2001).
Lo schema dell’attrezzatura di prova è illustrato nella Fig. 6.9a, mentre la Fig. 6.9b mostra il dispositivo per estrarre le aste a fine prova.
Fig. 6.9 – Schema dell’attrezzatura tipo per prove penetrometriche
dinamiche (da CESTARI, 2005).
La resistenza del terreno viene valutata contando il numero di colpi necessari per la penetrazione di ciascun tratto di lunghezza stabilita, ed è funzione inversa della penetrazione per ciascun colpo e, diretta, del numero di colpi per una data penetrazione.
Queste prove vengono eseguite in modo continuo a partire dal piano campagna e possono essere utilizzate per la determinazione della resistenza e della deformabilità dei terreni attraverso appropriate correlazioni, per la determinazione qualitativa del profilo
di un terreno, con la taratura di indagini dirette (per esempio sondaggi con campionamento) o con il raffronto con altre prove in situ e per determinare la profondità di strati molto addensati, di livelli molto sciolti o del substrato roccioso più o meno alterato.
Esistono numerose differenze nelle caratteristiche tecniche dei vari penetrometri esistenti. In seguito per quel che concerne le caratteristiche delle attrezzature utilizzate e le modalità esecutive, verrà fatto riferimento alla normativa EN ISO 22476-2: 2003 (CEN/TC 341). La Tab. 6.2 fornisce una prima classificazione dei penetrometri in base al peso del maglio.
Tipo Sigla Massa del maglio M (kg)
Leggero DPL M ≤ 10
Medio DPM 10 < M < 40
Pesante DPH 40 ≤ M < 60
Superpesante DPSH M ≥ 60
Tab. 6.2– Classificazione dei penetrometri in base al peso del maglio (da STEFANOFF et alii, 1988).
Le dimensioni ed il peso della massa dei componenti del dispositivo di battuta sono illustrati nella Tab. 6.3. La testa di battuta deve essere di acciaio ad elevata resistenza. La punta conica deve avere un angolo di apertura di 90° ed una parte cilindrica sopra la base del cono e le caratteristiche geometriche riportate in Tab.6.3; tale punta può essere fissa (avvitabile alle aste), oppure “a perdere”. In quest’ultimo caso l’estremità dell’ultima asta deve entrare con precisione nella punta conica. Le aste di collegamento, infine, sono in acciaio ad elevata resistenza, ossia non eccessivamente deformabili e logorabili. Dimensioni e peso delle aste sono indicate in Tab. 6.3.
DPSH
Attrezzatura DPL (leggero) DPM (medio) DPH (pesante)
A B
Maglio
Massa (Kg) (1) 10 ± 0,1 30± 0,3 50 ± 0,5 63,5 ± 0,5 63,5 ± 0,5
Caduta (mm) 500 ± 10 500 ± 10 500 ± 10 500 ± 10 750 ± 20
Testa di battuta
Diametro (mm) 50<d<0,5Dh (a) 50<d<0,5Dh (a) 50<d<0,5Dh (a) 50<d<0,5Dh (a) 50<d<0,5Dh (a)
Massa max (Kg) (2) 6 18 18 18 30
Punta conica 90°
Area di base (cm2) 10 15 15 16 20
Diametro (mm) (1) 35,7 ± 0,3 43,7 ± 0,3 43,7 ± 0,3 45,0 ± 0,3 50,5 ± 0,3
Max. diam. usurato (mm) 34 42 42 43 49
Lungh. parte cilindrica (mm) 35,7 ± 0,1 43,7 ± 0,1 43,7 ± 0,1 90 ± 2 (b) 51 ± 2
Altezza cono (mm) 17,9 ± 0,1 21,9 ± 0,1 21,9 ± 0,1 22,5 ± 0,1 25,3 ± 0,4
Massima usura cono (mm) 3 4 4 5 5
Aste (c)
Massa (max) (Kg/m) 3 6 6 6 8
Diametro est. (max) (mm) 22 32 32 32 35
Max deviazione su 5 m (%) (d) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Residuo (%) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Lavoro specifico/colpo (KJ/m2) 50 100 167 194 238
(a) Dh = diametro del maglio, nel caso di forma rettangolare la minore dimensione viene assunta come diametro
(b) solo per il cono a perdere
(c) lunghezza massima di un’asta; non deve superare 2 m (d) deviazione delle aste dalla verticale
Nota: le tolleranze illustrate sono fornite dai costruttori (1) dimensioni dell'attrezzo nuovo
(2) guida non compresa
Tab. 6.3– Dimensioni dei componenti delle diverse attrezzature standard (da CESTARI, 2005).
Modalità esecutive della prova
Il penetrometro deve essere posizionato verticalmente ed in modo che non si verifichino movimenti durante la battitura e le attrezzature autocarrate devono avere appoggi indipendenti e tali per cui le sospensioni del mezzo non influiscano sui risultati di prova.
La batteria di aste e la punta conica devono essere infisse verticalmente, controllando che non ci siano flessioni nel tratto che sporge dal piano campagna.
La prova deve essere continua e la velocità di battitura deve essere tra i 15 e i 30 colpi al minuto. Le aste devono essere ruotate di 1,5 giri o fino a raggiungere la massima torsione, almeno ogni metro di penetrazione. Per diminuire l’attrito laterale, la
prova può essere eseguita con iniezione di fluido (acqua o fango) attraverso fori praticati nelle aste cave in prossimità del cono e diretti orizzontalmente o verso l’alto, oppure può essere utilizzata una tubazione di rivestimento.
Per le prove DPL, DPM e DPH il numero di colpi viene registrato dopo la penetrazione di ciascun tratto di 100 mm, mentre per le prove DPSH dopo la penetrazione di ciascun tratto di 200 mm. La prova dovrebbe essere arrestata quando il numero di colpi (N10) è superiore a 100 per prove DPL, DPM e DPH, e quando il
numero di colpi (N20) è superire a 200 per prove DPSH.
Penetrometri dinamici in uso in Italia
Rispetto alle precedenti raccomandazioni (ISSMGE, 1988) ed all’attuale versione dell’Eurocodice (ENV 1997-3:1999), nella norma EN ISO 22476-2:2003 sono previsti due tipi di penetrometro superpesante (DPSH) (Tab. 6.3), distinti in:
− DPSH-A: con altezza di caduta 500 mm, area di base e diametro del cono rispettivamente di 16 cm2 e di 45,0 mm.
− DPSH-B: con altezza di caduta 750 mm, area di base e diametro del cono rispettivamente di 20 cm2 e di 50,5 mm.
In Italia è diffuso l’uso di penetrometri DPSH Tipo Emilia (Pagani TG 63-100/200) con caratteristiche tecniche riferibili alla normativa ISSMGE, che non presentano differenze rilevanti rispetto al DPSH-B della norma EN ISO.
Viene impiegato anche un penetrometro medio-leggero detto 30-20 molto pratico e facilmente trasportabile ma le cui caratteristiche non rientrano in quelle standard (AGI, 1977; EUROCODICE, 1999; ISSNGE, 1988; EN ISO-2003).
30 - 20 (6)
Attrezzatura DPL (leggero) DPM (medio)
A (4) B (5)
Maglio
Massa (Kg) (1) 10 ± 0,1 30± 0,3 30 30
Caduta (mm) 500 ± 10 500 ± 10 200 200
Testa di battuta
Diametro (mm) 50 < d < 0,5Dh (a) 50 < d < 0,5Dh (a) --- ---
Massa max (Kg) (2) 6 18 15 0,25
Punta conica
Apertura (gradi) 90 90 60 60
Area di base (cm2) 10 15 10 10
Diametro (mm) (3) 35,7 ± 0,3 43,7 ± 0,3 35,7 35,7
Max. diam. Usurato (mm) 34 42 --- ---
Lungh. parte cilindrica (mm) 35,7 ± 0,1 43,7 ± 0,1 8 8
Altezza parte conica (mm) 17,9 ± 0,1 21,9 ± 0,1 31 31
Massima usura cono (mm) 3 4 --- ---
Aste
Massa (max) (Kg/m) 3 6 2,4 2,4
Diametro est. (max) (mm) 22 32 20 20
Massima deviazione su 5 m (%) 0,1 0,1 --- ---
Residuo (%) 0,2 0,2 --- ---
Lavoro specifico/colpo (KJ/m2) 50 100 60 60
(1) inclusa l'asta di guida;
(2) esclusa l'asta di guida;
(3) nuova;
(a) Dh = diametro del maglio;
(4) DPM 30-20 della Pagani;
(5) TG 30-20 4x4 ruote motrici;
(6) in generale le attrezzature A e B utilizzano punte "a perdere"
Tab. 6.4– Confronto tra le dimensioni dei componenti DPL, DPM e 30-20 italiano (da CESTARI, 2005;
parzialmente modificata).
Nella Tab. 6.4 è possibile confrontare le caratteristiche tecniche di questo penetrometro con quelle dei penetrometri DPL e DPM della norma EN ISO. Come si può osservare il penetrometro 30-20 per alcuni aspetti è più simile ad un leggero DPL piuttosto che al medio DPM. Per esempio il lavoro specifico per colpo del 30-20 è di 60 KJ/m2 poco maggiore di quello del DPL (50 KJ/m2 ). Invece, in base al peso del maglio può essere classificato come medio.
