Le prove penetrometriche

1. INTRODUZIONE

Le prove penetrometriche fanno parte delle indagini in situ geotecniche. Esse permettono di caratterizzare indirettamente il sottosuolo attraverso l’infissione di una punta nel terreno.

Si possono distinguere:

• Prove penetrometriche statiche (CPT);
• Prove penetrometriche statiche con piezocono (CPTU);
• Prove penetrometriche dinamiche (DPSH);
• Standard penetration test (SPT);
• Prove dilatometriche.

Lo strumento che permette di effettuare le prove penetrometriche è il penetrometro. Esso è costituito da una cella di carico che permette di spingere punta e aste nel terreno con una forza che varia a seconda della tipologia del penetrometro (generalmente la spinta è di 20 tonnellate).

I penetrometri possono essere installati su piccoli cingolati, oppure su camion. In entrambi i casi, essi devono essere provvisti di un sistema di contrasto alla spinta che esercitano per infiggere le aste nel terreno. Il contrasto si può ottenere attraverso l’”ancoraggio” al terreno, oppure mediante il peso stesso dello strumento.

                   Figura 1- Penetrometro cingolato                                                                                            Figura 2- Penetrometro su camion

La profondità alla quale viene spinta la prova dipende dal “volume d’interesse”, ossia quella porzione di terreno che sarà soggetta ai carichi dovuti alla costruzione di un nuovo edificio o opera edilizia. Generalmente per piccole abitazioni si effettuano un paio di prove fino a 15 m.

La scelta di effettuare una tipologia di prova rispetto ad un’altra, dipende dalle caratteristiche del terreno. Le prove statiche sono limitate a terreni argillosi e sabbiosi, in quanto i terreni ghiaiosi presentano una resistenza tale, da impedire l’infissione della punta. Le prove dinamiche, al contrario possono essere eseguite su qualunque tipologia di terreno.

In questo articolo ci occuperemo della descrizione delle principali prove penetrometriche che si effettuano: CPT, CPTU, DPSH e SPT.

2. PROVE PENETROMETRICHE STATICHE CPT E CPTU

Le prove penetrometriche statiche sono così chiamate perché prevedono l’infissione di una punta nel terreno attraverso una spinta costante impressa da un pistone a velocità controllata.

Nella prova CPT, la punta è di tipo meccanico (punta Begemann), mentre nella CPTU la punta è elettrica (piezocono).

2.1          Prova CPT

La punta Begemann è costituita da due parti che si muovono indipendentemente: un manicotto esterno, ed un manicotto interno azionati da un’astina che si trova all’interno della punta.

Figura 3- Punta Begemann

La punta viene avvitata ad una batteria di aste. Ogni asta ha al suo interno un’astina che si collega a quella presente nella punta, permettendone così il movimento.

La prova si svolge infiggendo punta e aste nel terreno a velocità costante (2cm/s) ed eseguendo ogni 20 cm una “lettura”.

Ogni lettura è costituita da due valori: resistenza di punta e resistenza laterale. Materialmente, quando si spinge sulle astine, la punta si infigge nel terreno per 4 cm, a seguito dei quali si aziona anche il manicotto esterno, che anch’esso avanza congiuntamente alla punta per ulteriori 4 cm. Il primo valore esprime quanta forza è necessaria per spingere la punta nel terreno, la seconda invece è la somma tra il valore precedente e l’attrito laterale che si genera sulle pareti del manicotto durante il suo avanzamento. I valori vengono generalmente espressi in Kg/cm².

2.2          Prova CPTU

La prova CPTU si svolge in maniera analoga alla precedente. La differenza sta nella tipologia della punta: viene utilizzato il “piezocono”, una punta elettrica che registra i dati del terreno e li trasmette ad una centralina. La punta e la centralina sono collegate tramite un cavo che passa attraverso la batteria di aste.

Figura 4  – Piezocono

I dati che vengono raccolti sono: resistenza di punta, attrito laterale, pressione neutra (ossia la pressione dell’acqua). Alcune punte possiedono ulteriori sensori per la misura della temperatura e della deviazione che subisce la punta nella sua discesa nel terreno.

A differenza della punta meccanica, nella prova elettrica non vengono effettuate letture ogni 20 cm, ma si raccolgono dati in continuo durante l’avanzamento della punta.

Il piezocono può anche essere utilizzato per altre tipologie di prove: la prova di dissipazione e la prova sismica.

La prova di dissipazione determina la permeabilità del terreno: l’avanzamento della punta genera una sovrapressione nell’acqua di falda. Fermando l’avanzamento, il valore della sovrapressione tenderà a ritornare al valore iniziale. Monitorando la variazione della sovrappressione nel tempo è possibile risalire alla conducibilità idraulica del terreno.

Per effettuare la prova sismica è necessario che all’interno del piezocono sia presente un geofono. Ogni 1-2 metri di infissione, si energizza il terreno mediante un colpo di martello, che genera la propagazione di onde sismiche nel sottosuolo. Si registra il tempo che l’onda simica impiega per raggiungere il piezocono. Tale prova permette di ricavare il valore di Vs30 del terreno richiesto dalle NTC per classificare a fini sismici l’area in studio.

3. PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE DPSH E SPT

Le prove dinamiche si differenziano dalle prove statiche per la modalità con cui si effettua l’avanzamento della punta. In queste prove viene sfruttata una massa battente che, tramite una serie di colpi, infigge punta e batteria di aste nel terreno.

Punta e aste sono differenti rispetto alla prova statica. Esse infatti sono un pezzo unico, senza elementi all’interno che possano muoversi indipendentemente.

3.1          Prova DPSH

La prova DPSH è la prova penetrometrica dinamica effettuata con il maglio più pesante (peso di circa 73 kg). Come per le prove statiche, lo strumento utilizzato è il penetrometro. Generalmente i penetrometri (sia su cingolato che su camion) sono equipaggiati sia per effettuare prove statiche, che dinamiche. A differenza delle prove statiche, non occorre più effettuare un ancoraggio al terreno.

Figura 5- Punta prova DPSH

La modalità di esecuzione della prova è molto semplice: si conta il numero di colpi necessario ad infiggere la punta per 20 cm nel terreno. Qualora si ottengano valori superiori a 50, la prova raggiunge il “rifiuto strumentale” e viene sospesa.

3.2          Prova SPT

La prova SPT viene effettuata durante i sondaggi a fondo foro.

Figura 6-Esecuzione prova SPT

Il maglio non è montato su di un apposito penetrometro, ma la prova viene effettuata sfruttando direttamente la sonda con la quale si esegue il sondaggio.

Similmente a quanto accade nella prova DPSH, tramite l’utilizzo di un maglio di 63 kg circa, si infigge a percussione una punta nel terreno contando il numero di colpi ogni 15 cm, fino a raggiungere al massimo un totale di 45 cm. Anche in questo caso, il rifiuto avviene se si superano i 50 colpi.

4             INTERPRETAZIONE ED ELABORAZIONE DELLE PROVE PENETROMETRICHE

Il primo passo da effettuare in ufficio, è suddividere nei vari strati la prova penetrometrica.

Mettendo su un grafico i valori delle letture, è possibile discretizzare i vari strati del terreno. Di seguito un esempio.

Figura 7- Report prova CPT

Come si può osservare, in questa prova si possono riconoscere sostanzialmente quattro strati:

• Uno strato argilloso-limoso da 0.0 a 6.0 m;
• Uno strato sabbioso-limoso con intercalazioni sabbiose e argillose da 6.0 a 9.2 m;
• Uno strato argilloso-limoso da 9.2 a 11.0 m;
• Uno strato sabbioso da 11.0 a 15.8 m.

Similmente si opera con le prove dinamiche. In tal caso, si suddividono gli strati in funzione del numero di colpi per 20 cm di avanzamento.

Ogni strato discretizzato possiederà propri parametri geotecnici. Maggiore è il numero degli strati che si riconoscono, maggiore sarà il dettaglio ed il grado di accuratezza delle successive elaborazioni.

L’elaborazione dei dati al giorno d’oggi viene effettuata da appositi software di analisi, che permettono di ottenere i parametri geotecnici a partire dai valori registrati in campagna. In particolare, i parametri che possono essere ottenuti sono:

• Valore della coesione non drenata C_u (per terreni coesivi);
• Valore dell’angolo d’attrito ϕ’ (per terreni granulari);
• Valore del modulo edometrico M₀;
• Peso del terreno γ.

Dai valori della prova penetrometrica è anche possibile risalire alla velocità alla quale le onde sismiche attraversano il terreno. Fino a prima della pubblicazione delle NTC 18 era possibile effettuare la classificazione sismica (in alcuni casi) indirettamente dai valori delle prove penetrometriche. Con la nuova normativa, i valori di Vs30 devono essere ottenuti mediante prove geofisiche specifiche come H.V.S.R. e M.A.S.W..