USO DELLE CARTE DI CLASSIFICAZIONE PER LA

USO DELLE CARTE DI CLASSIFICAZIONE PER LA DEFINIZIONE DEL
SBT DA PROVE CPTU (TERRENI PARTICOLARI)
Diego C. F. Lo Presti *
[email protected]
Barbara Cosanti *
[email protected]
Nunziante Squeglia *
[email protected]
* D.E.S.T.eC., Università di Pisa
Sommario
L'impiego delle prove penetrometriche statiche (CPT), ed in particolare di quelle con piezocono (CPTu), ha
avuto un grande sviluppo negli ultimi decenni. Tali prove, infatti, rappresentano un mezzo d'indagine piuttosto
economico e speditivo per la determinazione indiretta del profilo stratigrafico e di alcune proprietà meccaniche
del terreno. La ripetibilità, l'affidabilità e continuità delle misure effettuate rientrano tra i principali vantaggi che
questo tipo di prove in situ offre. Tuttavia l'identificazione stratigrafica avviene normalmente attraverso
correlazioni empiriche e carte di classificazione dei terreni disponibili in letteratura tecnica che si basano su
determinati database. Questo fa sì che l'interpretazione di prove condotte in particolari tipi di terreno, come
miscele limose scarsamente addensate o materiali organici come quelli oggetto di questo studio, possa condurre
ad errori causati dall'estensione di specifiche correlazioni empiriche a contesti diversi dal database sulla base del
quale sono state ricavate. Questa nota presenta i risultati di uno studio effettuato confrontando la ricostruzione
stratigrafica ricavata da sondaggi geognostici e prove con piezocono, effettuati nelle immediate vicinanze gli uni
dalle altre, in alcuni tipi di terreno. In particolare le prove sono state condotte in una serie di limi poco
addensati/consistenti e in torbe/argille comprimibili. I dati raccolti suggeriscono una possibile
modifica/correzione delle carte di classificazione del tipo SBT per la tipologia di terreni considerati.
1. Introduzione
Una delle principali applicazioni delle prove penetrometriche è la ricostruzione del profilo stratigrafico
e l'identificazione litologica. In letteratura tecnica inoltre sono disponibili numerose correlazioni semiempiriche per la stima dei principali parametrici geotecnici da prove CPT. L'attribuzione di un
determinato tipo litologico ad un materiale attraversato dalla punta avviene per mezzo di carte di
classificazione che correlano la resistenza alla punta con la litologia. Le prime carte di classificazione,
proposte da Schmertmann (1978) nel caso di punta meccanica e Douglas e Olsen (1981) nel caso di
punta elettrica, fanno uso della resistenza alla punta, qc, e del rapporto d'attrito, Rf, che rappresenta il
rapporto percentuale tra l'attrito laterale, fs, e la qc. Successivamente Robertson et al. (1986) hanno
sviluppato un sistema di classificazione per prove condotte col piezocono. Questo sistema si basa sulla
resistenza alla punta corretta, qt, il Rf, e la pressione dinamica dell’acqua in fase di penetrazione (u2).
Questo sistema è molto diffuso grazie anche alla sua facilità d'impiego. Successivamente, Robertson
(1990) ha ulteriormente sviluppato il metodo per considerare anche la presenza di tensioni geostatiche
particolarmente elevate. Il metodo si basa sulle stesse grandezze misurate ma normalizzate in termini
di tensioni efficaci.
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2014 - IARG 2014
Chieti e Pescara, 14-15-16 luglio
Le interpretazioni di Robertson et al. (1986) e Robertson (1990) si basano sull'identificazione
litologica in termini di Soil Behaviour Type (SBT) e Soil Behaviour Type normalizzato (SBTn)
rispettivamente, ovvero, del comportamento meccanico in situ del terreno piuttosto che alla
classificazione per mezzo di criteri basati sulla distribuzione granulometrica e la plasticità del
materiale determinate su campioni indisturbati. Normalmente c'è una buona corrispondenza tra
l'identificazione litologica basata sulla definizione del SBT da prove CPT e la classificazione in
termini di granulometria e plasticità su campioni indisturbati, come ad esempio la classificazione
USCS, tuttavia alcune differenze interpretative si possono verificare soprattutto per quanto riguarda i
materiali intermedi e quindi le miscele sabbiose e limose. Ad esempio, il comportamento in sito di un
materiale fine con un elevato contenuto di argilla plastica sarà governato principalmente dalla
presenza d'argilla e quindi l'interpretazione in termini di SBT le attribuirà una granulometria più fine,
al contrario se l'argilla contenuta nella miscela non fosse plastica, il comportamento in sito del
materiale sarebbe controllato prevalentemente dalla presenza di sabbia e quindi l'interpretazione in
termini di SBT le attribuirebbe una litologia granulometricamente maggiore. Materiali fini molto
sovraconsolidati e rigidi tendono a dilatare e hanno un'elevata coesione non drenata pertanto assumono
in sito un comportamento più simile a quello di litotipi caratterizzati da granulometrie maggiori, al
contrario, limi saturi a bassa plasticità hanno un comportamento più simile ad argille.
L'applicazione della carta di classificazione di Robertson (1990) può essere semplificata facendo
ricorso ad un indice normalizzato del SBTn, IC, che rappresenta il raggio dei cerchi concentrici che
identificano i confini tra diverse zone SBTn ed è espresso da:
𝐼𝐼𝑐𝑐 = �(3.47 − log 𝑄𝑄𝑡𝑡 )2 + (log 𝐹𝐹𝑟𝑟 + 1.22)2
(1)
in cui Qt e Fr sono rispettivamente la resistenza alla punta normalizzata espressa in forma
adimensionale e il rapporto d'attrito normalizzato espressi da:
′
(2)
𝑄𝑄𝑡𝑡 = (𝑞𝑞𝑡𝑡 − 𝜎𝜎𝑣𝑣0 )⁄𝜎𝜎𝑣𝑣0
𝐹𝐹𝑟𝑟 = (𝑓𝑓𝑠𝑠 ⁄(𝑞𝑞𝑡𝑡 − 𝜎𝜎𝑣𝑣0 )) ∙ 100
(3)
2. Gli argini del fiume Serchio: miscele limose scarsamente addensate
Durante la campagna di indagini geotecniche svolta sugli argini del fiume Serchio a seguito
dell'alluvione del dicembre 2009, nella provincia di Pisa, sono state eseguite 149 prove CPTu, la
maggior parte delle quali ha raggiunto la profondità di 20 m (Cosanti et al., 2013; 2014).
Per l'interpretazione di tali prove è stato utilizzato il software CPeT-IT (Geologismiki, 2009). È
emerso che mentre il susseguirsi dei diversi strati attraversati dal cono è stato identificato in maniera
corretta, l'attribuzione a ciascuno strato della tipologia litologica non è stata altrettanto precisa. Il
confronto tra sondaggi e prove CPTu ha evidenziato come queste ultime attribuissero erroneamente ai
materiali attraversati caratteristiche coesive. Tale errore è stato attribuito al fatto che i materiali
erroneamente identificati pur avendo una granulometria medio-grossa (prevalentemente sabbie limose
e limi sabbiosi), sono scarsamente addensati e quindi presentano valori della resistenza alla punta
molto bassi (anche < di 1 MPa), tipici di materiali più fini. Inoltre tutte queste prove sono eseguite
sopra falda e quindi si pone il problema di applicare a materiali parzialmente saturi i criteri derivati da
prove su terreni saturi. La parziale saturazione normalmente conduce ad una sovrastima della
granulometria nella porzione più superficiale e quindi con un effetto opposto a quelli che sono i limiti
prima evidenziati del sistema di classificazione. Infine, poiché non è possibile analizzare le misure di
u2, le correzioni devono riguardare la stima dell’indice IC.
Quindi si è avviato uno studio che è consistito nel confrontare la ricostruzione stratigrafica ricavata da
sondaggi geognostici e prove con piezocono, effettuati nelle immediate vicinanze gli uni dalle altre.
Tale confronto ha permesso di valutare i parametri da considerare per una corretta interpretazione
litologica e di ottenere una correzione in termini di indice del Soil Behaviour Type (SBT) in funzione
della resistenza alla punta.
Lo Presti, D.C.F; Cosanti, B.; Squeglia, N.
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Sono state selezionate 12 prove penetrometriche eseguite nelle immediate vicinanze di altrettanti
sondaggi. Per ciascuna verticale di indagine si è determinata l'altezza di risalita capillare, hc,
utilizzando la trattazione di Aubertin et al. (2003) e si è determinata una pressione neutra "corretta"
soprafalda considerando un andamento lineare negativo dalla profondità della falda fino alla frangia
capillare e, nel tratto soprastante, un andamento costante pari a −𝛾𝛾𝑤𝑤 ∙ ℎ𝑐𝑐 . Quindi si è determinata la
tensione verticale efficace secondo la relazione di Bishop (1959) per i materiali non saturi:
′
(4)
= (𝜎𝜎𝑣𝑣0 − 𝑢𝑢𝑎𝑎 ) + 𝜒𝜒(𝑢𝑢𝑎𝑎 − 𝑢𝑢𝑤𝑤 )
𝜎𝜎𝑣𝑣0
in cui σ'v0 e σv rappresentano rispettivamente la tensione verticale efficace e la tensione verticale
totale, ua e uw rappresentano rispettivamente la pressione dell'aria e dell'acqua nei pori e 𝜒𝜒 è un
parametro, detto di sforzo efficace o di Bishop, che dipende dal grado di saturazione (Sr) e che, in
questa trattazione è stato assunto in maniera semplificata pari a Sr (Schrefler, B.A., 1984).
In questo modo è stato possibile calcolare una Qt e un IC "corretti" per tener conto della parziale
saturazione dei terreni soprafalda. La correzione apportata consente di ottenere una classificazione
“omogenea” degli strati più superficiali e di fatto più realistica.
Successivamente, a ciascun orizzonte individuato dal log stratigrafico è stato attribuito un SBTn
secondo l'interpretazione di Robertson (1990) e un indice IC che è stato confrontato con quello
attribuito dalla prova penetrometrica "corretta" per tener conto della parziale saturazione dei terreni
soprafalda (Rosignoli, 2014). La figura 1 mostra come ci siano marcate differenze di interpretazione,
tra prove CPTu e sondaggi, per le classi intermedie (SBTn = 3, 4 e 5).
Si sono osservati quindi gli andamenti di IC al variare della resistenza alla punta, dell'attrito laterale e
del rapporto d'attrito e si è osservata una chiara dipendenza dell'IC dalla qc. Confrontato gli andamenti
di IC da sondaggio e da CPTu al variare della resistenza alla punta e le rispettive funzioni che li
approssimano, si è determinata una funzione Δ𝐼𝐼𝐶𝐶 (𝑞𝑞𝑐𝑐 ), definita come differenza tra le altre due, che
rappresenta l'errore di interpretazione in termini di IC, commesso considerando l'interpretazione della
prova CPTu rispetto al sondaggio, al variare di qc (Figura 2). La funzione correzione Δ𝐼𝐼𝐶𝐶 (𝑞𝑞𝑐𝑐 ) è stata
applicata alle 12 prove CPTu sulla base delle quali è stata ricavata e si è ottenuto un buon
miglioramento interpretativo soprattutto per le classi SBTn 4 e 6 come è evidente dall'osservazione
della figura 3. In particolare per le classi intermedie dei limi (SBTn 4) la percentuale di successo
raddoppia ma in generale si osserva una identificazione più coerente con i dati derivanti dai sondaggi.
3. Le torbe del Lago di Porta (MS)
Le analisi svolte sulle CPTu condotte sugli argini del fiume Serchio hanno evidenziato come per valori
molto bassi della resistenza alla punta, inferiori a 1 MPa, l'interpretazione stratigrafica fornita dal
software CPeT-IT possa erroneamente identificare miscele limose scarsamente addensate come
materiali organici. Pertanto si è ricercato un parametro discriminante che potesse chiaramente
identificare la presenza di materiale fine comprimibile e/o di torbe e distinguerla da questo tipo di
miscele. A tal scopo sono state analizzate delle prove CPTu condotte presso il Lago di Porta (MS),
dove si è osservata la massiccia presenza di materiale fine comprimibile e organico (torba), e per le
quali l'interpretazione stratigrafica del software CPeT-IT è stata molto fedele al corrispondente log
stratigrafico. Sono stati presi in esame gli andamenti dell'attrito laterale e del rapporto d'attrito relativi
agli strati con un valore di IC maggiore di 2.95, valore che segna il passaggio dalla classe SBTn = 4
alla classe SBTn = 3 corrispondente alle argille, e una resistenza alla punta minore di 1 MPa.
Quindi si è operato un confronto con i profili penetrometrici relativi agli argini del Serchio
selezionando anche in questo caso gli strati di terreno ai quali era stato attribuito un IC maggiore di
2.95 e che presentavano una resistenza alla punta minore di 1 MPa e che quindi erano stati
erroneamente identificati come materiale fine o organico.
I risultati, illustrati dalla figura 4, mostrano un andamento di IC con l'attrito laterale piuttosto disperso
mentre i dati relativi al rapporto d'attrito permettono di identificare i materiali argillosi e organici per
Lo Presti, D.C.F; Cosanti, B.; Squeglia, N.
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valori di Rf ≥4.
Pertanto sembra possibile una prima individuazione dei materiali fini comprimibili e dei materiali
organici e una preliminare distinzione dalle miscele limose poco addensate e con valori molto bassi
della resistenza alla punta (qt< 1 MPa) sulla base del valore del rapporto d'attrito.
Figura 1. Confronto tra IC attribuito dall'interpretazione del log stratigrafico e IC attribuito dall'interpretazione
delle prove CPTu. a) terreno parzialmente saturo (sopra falda); b) terreno saturo (sotto falda) (Rosignoli,
2014).
4. Osservazioni conclusive e sviluppi futuri
Seppure le prove penetrometriche ed in particolare le prove con piezocono siano uno strumento molto
valido per la ricostruzione stratigrafica, l'identificazione litologica del terreno attraversato dalla punta
avviene sulla base di correlazioni empiriche e carte di classificazione dei terreni disponibili in
letteratura tecnica che si basano su determinati database. L'interpretazione di prove condotte in
particolari tipi di terreno, pertanto, può condurre ad errori causati dall'estensione di specifiche
correlazioni empiriche a contesti diversi dal database sulla base del quale sono state ricavate e rende
necessaria una taratura per mezzo di sondaggi. Questa nota presenta i risultati di uno studio effettuato
confrontando la ricostruzione stratigrafica ricavata da sondaggi geognostici e prove con piezocono,
effettuati nelle immediate vicinanze gli uni dalle altre, in depositi limosi scarsamente addensati e
caratterizzati da valori molto bassi della resistenza alla punta (argini del fiume Serchio e relativi
terreni di fondazione), per i quali, l'applicazione delle carte di classificazione disponibili in letteratura,
conduce ad errori interpretativi. In particolare questi materiali sono erroneamente riconosciuti come
materiale fine/organico. Il confronto ha permesso di ottenere una correzione in termini di indice del
Soil Behaviour Type (SBT) in funzione della resistenza alla punta la cui applicazione ha consentito di
migliorare notevolmente la percentuale di successo interpretativo (soprattutto per le classi SBTn 4 e
6). Il confronto con prove CPTu condotte in argille comprimibili e materiale organico ha permesso
inoltre di identificare il rapporto d'attrito come parametro discriminante per la corretta identificazione
di questi strati. È emerso che una preliminare identificazione del materiale fine comprimibile/organico
e una distinzione dalle miscele limose poco addensate e con valori molto bassi della resistenza alla
punta (qt< 1 MPa) può essere fatta sulla base di un valore del rapporto d'attrito maggiore di 4.
Al momento il database è in fase di ampliamento. Si intende ottenere ulteriore conferma dei risultati
presentati e proporre una carta di classificazione del tipo SBT opportunamente modificata per la
tipologia di terreni considerati.
Lo Presti, D.C.F; Cosanti, B.; Squeglia, N.
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a)
b)
Figura 2. a) Confronto tra l'andamento di IC con la resistenza alla punta ricavato dall'interpretazione dei log
stratigrafici e dalle prove CPTu. b) Andamento della funzione ∆IC(IC)che rappresenta l'errore di interpretazione
in termini di IC, commesso considerando l'interpretazione della prova CPTu rispetto al sondaggio, in funzione
della resistenza alla punta.
SBTn da CPTu corretta
SBTn da CPTu
3
4
5
6
2 100%
/
/
/
/
3
/
/
/
/
/
4 23% 42% 19% 12%
5
3%
6
/
4%
25% 23% 40% 10%
/
7%
36% 57%
2
SBTn da sondaggio
SBTn da sondaggio
2
3
4
5
6
2 100%
/
/
/
/
3
/
/
/
/
/
4
/
5
/
/
6
/
/
19% 38% 27% 15%
18% 45% 38%
/
7%
93%
Figura 3. Percentuale di successo della prova CPTu nel dare la stessa interpretazione del sondaggio: prima (sx)
e dopo (dx) l'applicazione della funzione correzione ricavata.
Lo Presti, D.C.F; Cosanti, B.; Squeglia, N.
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a)
b)
Figura 4. Materiale fine comprimibile e organico: valori di IC con fs a) e con Rf b).
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Lo Presti, D.C.F; Cosanti, B.; Squeglia, N.