Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2004 - IARG 2004 Trento, 7-9 luglio 2004
POTENZIALITÀ E LIMITI DEI PENETROMETRI AMBIENTALI (PRIMI RISULTATI)
Giacomo Simoni, Giovanni Vannucchi
Dipartimento di Ingegneria Civile – Università degli Studi di Firenze e-mail: gsimoni@dicea.unifi.it, giovan@dicea.unifi.it
Sommario
Sono presentati i primi risultati di una sperimentazione di laboratorio su due penetrometri ambientali: il piezocono con modulo per la misura della resistività elettrica (RCPTU), ed il penetrometro misuratore della fluorescenza (FFD), avente lo scopo di verificare le potenzialità ed i limiti di strumenti di indagine geotecnica ambientale in sito. L’attività sperimentale di laboratorio ha permesso di verificare, per le misure di resistività elettrica eseguite con RCPTU, l’influenza della temperatura, della concentrazione salina e della porosità del terreno, e per le misure di fluorescenza eseguite con FFD, l’influenza della diluizione di gasolio e della porosità del terreno.
Introduzione
L’indagine geotecnica finalizzata all’individuazione e perimetrazione di siti contaminati deve fornire informazioni sufficientemente dettagliate sulla natura e la successione degli strati di terreno, le condizioni idrogeologiche, le proprietà fisiche e meccaniche dei terreni, la distribuzione, composizione e concentrazione delle sostanze contaminanti.
In anni recenti sono state sviluppate tecniche di indagine in sito alternative all’esecuzione di scavi e/o di fori di sondaggio, ed all’estrazione di campioni di terreno da analizzare in laboratorio. La tecnica tradizionale, infatti, oltre a produrre un sensibile disturbo del terreno ed una conseguente alterazione delle proprietà dei campioni estratti, richiede particolare cura per evitare il contatto con materiali talora pericolosi, lunghi tempi di esecuzione delle prove in sito ed in laboratorio, e costi elevati.
La più promettente delle tecniche alternative di indagine in sito a fini ambientali consiste nell’esecuzione di prove con penetrometri statici (CPT), che a tal fine sono dotati di particolari sensori elettrici e chimici.
Nel presente lavoro sono presentati i primi risultati di una sperimentazione di laboratorio volta a calibrare i sensori di due tipi di piezoconi ambientali, il piezocono dotato di sensore per la misura della resistività elettrica (RCPTU) ed il penetrometro a fluorescenza (FFD), per differenti terreni e al variare della concentrazione dei più diffusi contaminanti.
Sperimentazione con il piezocono con modulo per la misura della resistività RCPTU Il terreno è un mezzo polifase, costituito da uno scheletro solido e da vuoti, che possono essere riempiti da una fase liquida (in genere acqua) e da una fase gassosa (in genere aria e vapor d’acqua).
La corrente elettrica si trasmette in un terreno prevalentemente attraverso la fase liquida. In particolare la resistività elettrica volumetrica di un terreno dipende da: 1. composizione chimica del fluido interstiziale, 2. grado di saturazione, 3. porosità, 4. temperatura, 5. forma dei pori, 6. contenuto d’argilla, 7. mineralogia, 8. proprietà dielettriche. Pertanto, misure di resistività consentono di determinare: a) a parità di terreno e di fluido interstiziale, in condizioni di saturazione, le variazioni di porosità, b) a parità di terreno e di porosità, in
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condizioni di saturazione, le variazioni di composizione chimica del fluido interstiziale, c) a parità di terreno, di porosità e di fluido interstiziale, le variazioni del grado di saturazione, etc...
La relazione semi-empirica che fornisce il legame fra la resistività volumetrica del terreno, ρb (Ωm), e la resistività del fluido interstiziale, ρf (Ωm), sufficientemente valida a condizione che la resistività del fluido sia relativamente bassa e che la frazione argillosa del terreno sia modesta, è la legge di Archie:
s r m f
b a n S
F = ⋅ − ⋅ − ρ
=ρ (1)
in cui: F è detto fattore di formazione, n è la porosità, Sr è il grado di saturazione, a, m ed s sono costanti sperimentali.
Il piezocono (CPTU) è uno degli strumenti di indagine in sito più efficaci per il riconoscimento stratigrafico di dettaglio, attraverso l’analisi dei profili di resistenza di punta, qc, attrito laterale locale, fs, e pressione neutra, u.
Il piezocono con modulo per la misura della resistività (RCPTU) è uno strumento che, oltre alle suddette misure, consente di determinare il profilo di resistività elettrica del terreno attraversato, ρb, basandosi sul principio che, per un’assegnata corrente, la resistività è proporzionale alla differenza di potenziale misurata fra due elettrodi.
Esistono diversi modelli di RCPTU, a due e a quattro elettrodi. Quello utilizzato nella sperimentazione, di fabbricazione olandese, ha un modulo di materiale plastico isolante di lunghezza totale 180 mm in cui sono inseriti quattro elettrodi d’ottone, di spessore 10 mm e interasse 30 mm. Tra gli elettrodi esterni, energizzanti, distanti 90 mm, si stabilisce una corrente elettrica alternata con frequenza 1000 Hz (ovvero nel campo di frequenze da 25 a 3000 Hz suggerito dalle norme ASTM D1125 per le misure di resistività dell’acqua), il cui campo elettrico è misurato sia dagli elettrodi interni, di misura, distanti 30 mm, che da quelli esterni, che quindi sono anche elettrodi di misura.
L’attività sperimentale di laboratorio è stata condotta immergendo il modulo in un contenitore cilindrico isolante (di plastica) di volume 135 lt, previo controllo degli effetti di bordo. In particolare sono state eseguite misure di conducibilità elettrica : sia con la coppia di elettrodi interni (Cx) che con la coppia di elettrodi esterni (Cy) nelle seguenti condizioni: a) in acqua pulita a diverse temperature (7, 12, 20 e 30° C) (Figura 1); b) in soluzione acquosa a temperatura costante (20° C) e diverse concentrazioni di NaCl (0,1-0,5-1,5-5-10-50 g/l) (Figura 2); c) in sabbia pulita con assegnato contenuto in acqua (w = 10,6%) e differente porosità (n = 38,55-34,68-30,29%) (Figura 3); e d) in sabbia contaminata con gasolio in diverse concentrazioni (2,2-6-9,6%) (Figura 4). Si osserva che, per le misure in ambiente liquido, le due coppie di elettrodi forniscono valori analoghi, mentre per le misure nel terreno i valori di Cx sono superiori ai valori di Cy. Poiché la penetrazione del campo elettrico nel terreno cresce con la distanza fra gli elettrodi, una possibile spiegazione del fenomeno è che la presenza del penetrometro, per effetto arco, determini una struttura meno addensata del terreno adiacente alla parete. Il rapporto dei valori misurati di resistività fra le due coppie di elettrodi, D = ρx/ρy = Cy/Cx, durante la penetrazione dello strumento in un terreno sabbioso saturo, può dare indicazione del comportamento a rottura del materiale: per D<1 il terreno è dilatante, per D>1 il terreno è contrattivo (Campanella e Kokan, 1992).
1
1 La conducibilità elettrica C è l’inverso della resistività elettrica ρ. Misurando C in mS/m (milliSiemens/metro) e ρ in Ωm (Ohm metro) risulta C = 1000/ρ
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60 80 100 120 140 160
0 10 20 30 40
T ( ° )
C (mS/m)
Cx Cy CT = 100,284 [1 + 0,022047 (T - 18)]
R2 = 0,9912
Cx = 3,3163Ln(n) - 9,4309 R2 = 0,8766
Cy = 3,9423Ln(n) - 12,361 R2 = 0,8994 0
0,5 1 1,5 2 2,5 3
30 32 34 36 38 40
n ( % )
C (mS/m)
Cx Cy
10 100 1000 10000
0,1 1 10 100
Sal ( gr / l )
C (mS/m)
Cx Cy C = 337,46 Sal0,4886
R2 = 0,9461
Figura 2: Misure con RCPTU in soluzione di NaCl Dipendenza della conducibilità dalla concentrazione
Figura 3: Misure con RCPTU in sabbia pulita satura. Dipendenza della conducibilità dalla porosità.
Cx = -0,0674 gas + 3,5667 R2 = 0,983
Cy = -0,0597 gas + 2,5944 R2 = 0,9185
0 1 2 3 4 5
0 2 4 6 8 10
gasolio ( % )
C (mS/m)
Cx Cy
Figura 4: Misure con RCPTU in sabbia contaminata con gasolio. Dipendenza della conducibilità dalla concentrazione di gasolio.
Figura 1: Misure con RCPTU in acqua pulita. Dipendenza della conducibilità dalla temperatura.
Sperimentazione con il penetrometro per la misura della fluorescenza (FFD)
L’FFD (Fuel Fluorescence Detector) è un penetrometro statico dotato di sensori che rilevano la fluorescenza prodotta dagli idrocarburi aromatici eccitati da una sorgente di luce ultravioletta. La sperimentazione di laboratorio è consistita in misure di fluorescenza eseguite appoggiando i campioni sulla finestra di zaffiro, secondo le modalità descritte da Pasqualini et al. (2001). Come fluido contaminante è stato utilizzato il gasolio, come terreno di riferimento una sabbia debolmente ghiaiosa. In particolare sono state eseguite misure fluorescenza sia con il sensore S1 (lunghezze d’onda tra 280 e 450 nm, utilizzato per gli idrocarburi leggeri) che con il sensore S2 (lunghezze d’onda maggiori di 450 nm, utilizzato per gli idrocarburi pesanti) nelle seguenti condizioni: a) con sabbia pulita satura a diverso indice dei vuoti (0,472-0,428-0,401) (Figura 5); b) con soluzioni acquose a diversa diluizione di gasolio (0- 0,2-0,5-1-2-5-10-100%) (Figura 6); e c) con sabbia contaminata satura e con diversa concentrazione di gasolio (0-0,2-0,5-1-2-5-10%) (Figura 7). Si osserva che la fluorescenza
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non è influenzata dallo stato di addensamento della sabbia, e che la legge di variazione della fluorescenza con la concentrazione di gasolio, sia in acqua che nel terreno, è ben approssimata da una legge iperbolica.
Figura 5: Misure di fluorescenza con FFD in sabbia pulita satura a differente indice dei vuoti.
0 50 100 150 200 250
0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48
indice dei vuoti, e
fluorescenza (mV)
S1 S2
0 4000 8000 12000 16000
0 2 4 6 8 10 12
x = concentrazione di gasolio (%)
y = fluorescenza (mV)
S1-g0 S2-g10 y=1000x / (0,1152x + 0,215)
y=1000x / (0,0686x + 0,0133)
Figura 6: Misure di fluorescenza con FFD in soluzione a diversa diluizione di gasolio
0 2000 4000 6000
0 2 4 6 8 10 12
x = concentrazione di gasolio (%)
y = fluorescenza (mV)
S1-g0 S2-g10
y=1000x / (0,5222x + 0,3287) y=1000x / (0,1884x + 0,1955)
Figura 7: Misure di fluorescenza con FFD in sabbia contaminata satura a diversa diluizione di gasolio.
Conclusioni
Lo stato attuale della ricerca non consente di trarre conclusioni. Anzi, più si approfondisce lo studio di resistività e fluorescenza dei terreni contaminati e della loro misura con i penetrometri ambientali, più crescono i quesiti che richiedono una risposta. In questa sede, per ragioni di spazio, non sono stati affrontati e neppure esposti, ma lo saranno nel prosieguo della ricerca. L’obiettivo finale è di verificare le potenzialità e i limiti di strumenti di indagine che possono dimostrarsi di grande utilità nella geotecnica ambientale, ma sui quali, allo stato attuale, esiste molta letteratura, spesso contraddittoria, e molta pubblicità.
Riferimenti bibliografici
CAMPANELLA, R.G., KOKAN, M. (1992) – A new approach to measuring dilatancy in saturated sands.
Proc. 45th Canadian Geotechnical Conference, Toronto
PASQUALINI, E., FRATALOCCHI, E, PERONI, N. (2001) - Sonde penetrometriche per la caratterizzazione dei siti inquinati. Atti delle conferenze di geotecnica di Torino XVIII ciclo, Indagini in sito per la caratterizzazione meccanica ed ambientale del sottosuolo.
Giacomo Simoni e Giovanni Vannucchi
