La prova penetrometrica statica CPT (Cone Penetration Test)

Introduzione
La prova penetrometrica statica, o CPT (Cone Penetration Test), consiste nella misura di resistenza alla penetrazione di una punta conica standardizzata con apertura di 60°, infissa nel terreno a velocità costante (20 mm/s) con un sistema meccanico o idraulico.
Si distinguono due principali categorie di prova penetrometrica statica: prova con punta meccanica (CPTm) e prova con punta elettrica (CPTe), con piezocono (CPTu) e piezocono sismico (SCPTu).

Penetrometro meccanico
Nel penetrometro meccanico, la colonna di aste che fa avanzare la punta è protetta da una tubazione di rivestimento, che ha diametro esterno uguale a quello della punta (D=35.7 mm, A_p=10 cm²).
Si fanno avanzare in successione la punta (II), la tubazione di rivestimento (III), per successivi tratti di 10 cm e si misura la forza necessaria per infiggere la punta L_p, la resistenza laterale L_t e quella totale LL_tt (Fig. 1).
Fra punta e tubi è posto un manicotto, opportunamente sagomato, per evitare l’ingresso di terra nell’intercapedine tra aste e tubi (Fig. 2).

Fig. 1 – Schema della prova CPTm e caratteristiche geometriche della punta conica

Fig. 2 – Viene effettuata prima la lettura della resistenza alla punta, facendo avanzare il solo cono, spinto da una batteria di aste interne
In un secondo tempo vengono fatte avanzare anche le aste esterne, che spingendo sul manicotto e sul cono contemporaneamente, consentono la lettura della resistenza totale.

Può essere utilizzato un ulteriore manicotto scorrevole (friction jacket) con area di 150 cm², che consente di eseguire una misura della resistenza laterale locale R_ll. Il rapporto tra R_ll e la superficie laterale è indicato con f_s, questo tipo di punta è indicata con il nome di “Punta Begemann”.
Esiste un’altra versione di punta penetrometrica con diametro D=44 mm, Ac=15 cm² ed As= 200-300 cm².
Benchè la dimensione di 10 cm² è quella standard originale, molte ditte ritengono che la versione da 15 cm² sia più indicata per indagini di routine e possa essere più facilmente equipaggiata con sensori aggiuntivi per necessità tecniche.
La punta Begemann è probabilmente la più diffusa. E’ dotata di manicotto d’attrito e viene impiegata in prove discontinue. La procedura, partendo dalla posizione di riposo, è la seguente:
1) avanzamento di 4 cm del solo cono, con spinta proveniente dalla batteria di aste interne: lettura della Lp;
2) avanzamento di 4 cm di cono + manicotto, spinta dalle aste interne: lettura della Lt
3) avanzamento di 12 cm dell’intera punta, con spinta da parte della batteria di aste esterna, fino al ritorno alla posizione iniziale: nessuna lettura.

Fig. 3 – Punta Begemann: caratteristiche e schema d’avanzamento.

 

Penetrometro elettrico
Il penetrometro elettrico è provvisto di una sola batteria di aste, è dotato di sensori di carico interni che rilevano la forza esercitata sulla punta, l’attrito laterale sul manicotto e, per mezzo di filtri porosi (piezocono) la pressione interstiziale in uno o più punti della superficie del penetrometro. E’ presente anche un inclinometro per le misure dell’inclinazione del penetrometro.

La prova penetrometrica con punta elettrica (CPTe), comporta una misurazione continua (ogni 2 cm di infissione) della resistenza alla punta, dell’attrito laterale e dell’inclinazione.
La prova penetrometrica effettuata mediante piezocono (CPTu), consiste in una prova penetrometrica con punta conica con misurazione aggiuntiva, rispetto alla punta elettrica, della pressione interstiziale nell’intorno della punta durante l’infissione. L’apparato di misurazione è costituito da un trasduttore di pressione (ospitato nella punta) e da un filtro poroso, un esempio di punta è riportata in Fig. 4.

Fig. 4 – Punta con filtro poroso

Il filtro poroso può essere posizionato nel cono (u₁), attorno al cono (u₂), o attorno al manicotto (u₃) a seconda del tipo di piezocono utilizzato.
Tale sovrappressione (che è data dalla somma della pressione idrostatica preesistente la penetrazione e dalle pressioni dei pori prodotte dalla compressione) può essere positiva o negativa e generalmente varia da (-1 a max. + 10-20 kg/cm²).

Con questa apparecchiatura è possibile eseguire delle prove di dissipazione della sovrappressione neutra indotta dall’infissione, arrestando la penetrazione ad una determinata profondità e registrando l’andamento nel tempo della pressione neutra. Essa inizia a decrescere dal valore iniziale U_i verso il valore di equilibrio corrispondente alla pressione idrostatica u₀ . Dal valore del t₅₀ (tempo corrispondente al 50% della dissipazione) che si ricava dalla prova è possibile  stimare il coefficiente di consolidazione orizzontale e la conducibilità idraulica.

Fig. 5 – Rappresentazione della Prova di dissipazione in Static Probing

La prova con piezocono sismico (SCPTu), ovvero un piezocono che offre la possibilità di di effettuare misure discontinue della velocità di propagazione delle onde, principalmente in configurazione downhole.

Le prove SCPTu permettono di acquisire i tempi di arrivo delle velocità delle onde di taglio (Vs) nei terreni attraversati.
Il software Static Probing sfruttando i dati relativi ai tempi di arrivo, delle profondità di lettura e della distanza dell’energizzatore consente di stimare le velocità delle onde di taglio Vs.
Attraverso i valori delle Vs,  il programma calcola  il parametro della Vs equivalente e fornisce la categoria di suolo, in accordo con le NTC 2018.

Fig. 6 – Finestra input dati piezocono sismico in Static Probing

Colonna 1= Profondità di lettura
Colonna 2= Tempo di arrivo dell’onda S
Colonna 4= Distanza geofono-sorgente sismica
Colonna 8= Vs per ogni livello

Le misure che si ricavano dalla prova sono:

• La resistenza unitaria alla punta : q_c=L_p·(costante di trasformazione)/(area sezione del cono).
• La resistenza unitaria di attrito laterale locale:  f_s=(L_t-L_p)·(costante di trasformazione)/(superficie laterale del manicotto).
• Il rapporto delle resistenze (friction ratio):
  Rapporto Begemann= q_c/f_s
  Rapporto Schmertmann= (f_s/q_c)·100

La resistenza unitaria alla punta e quella laterale devono essere corrette perchè la pressione interstiziale agisce su areee disuguali (vedi Fig. 7).

Fig. 7 – Determinazione della resistenza totale alla punta e dell’attrito totale al manicotto nella prova CPTu.

Interpretando i dati delle prove CPT e CPTu è possibile determinare la stratigrafia del sottosuolo, identificare la litologia e stimare i parametri geotecnici.
Sfruttando le carte di classificazione del terreno è possibile, attraverso i dati delle prove CPT e CPTu: ricostruire il profilo statigrafico lungo la verticale, identificare i tipi di terreni attraversati, determinare le variazioni litologiche.

 

Classificazione dei terreni da prova penetrometrica statica
Esistono numerosi metodi di classificazione che sfruttano i dati delle prove CPT e CPTu, alcuni di quelli implementati su Static Probing sono:

Per la punta meccanica:
Classificazione di H. Begemann (1965)
La carta di classificazione è basata su 250 dati, relativi ai suoli olandesi, ha in ordinata la q_c ed in ascissa l’attrito laterale locale f_s. Le linee (passanti per l’origine) suddividono la carta in campi, consentendo l’identificazione del terren, sono state ottenute sulla base della percentuale in peso di particelle con diametro inferiore a 16 μm.

Fig. 8 – Carta di interpretazione di H. Begemann (1965)

Classificazione di Schmertmann (1978)
Il grafico utilizza il database di Begemann e una serie di prove penetrometriche meccaniche eseguite nei terreni della Florida. Nelle ordinate la q_c è rappresentata in scala logaritmica, mentre il rapporto di resistenze R_f nelle ascisse e in scala lineare. La carta di classificazione fornisce anche indicazioni qualitative di addensamento per le sabbie (più il valore di q_c è alto e maggiore è la densità) e di compattezza per le argille (maggiore è il valore di f_s e più l’argilla è compatta). Le principali differenze con la carta di Begemann riguardono ii limiti relativi alle diverse litologie e la non linearità tra q_c ed f_s.

Fig. 9 – Carta di interpretazione di Schmertmann (1978)

Classificazione di Searle (1979)
La carta di classificazione presenta sull’asse delle ordinate la resistenza alla punta q_c [MPa] in scala logaritmica, e sulle ordinate la resistenza R_f nella medesima scala. Anche il metodo di Searle fornisce indicazioni aggiuntive, come l’addensamento per le sabbie e la consistenza per i terreni fini.

Fig. 10 –  Carta di interpretazione di Searle (1979)

Classificazione di Robertson (1983)

Fig. 11 – Carta di interpretazione di Robertson (1983)

Per la punta elettrica:
Classificazione di Douglas e Holsen (1981)
Si tratta di una carta che gli autori hanno elaborato effettuando numerose prove nel territorio occidentale degli USA, in ordinata si riporta la resistenza alla punta q_c in ascissa il rapporto Schmertmann= (f_s/q_c)·100.
La carta mostra che il tipo di suolo cambia in maniera diagonale da SP (Sabbia scarsamente assortite) a SM (Sabbia limosa) a ML (Limo inorganico) a CL (Argilla magra) fino a CH (Argilla grassa) man mano che la resistenza alla punta diminuisce e il rapporto di attrito aumenta.

Fig. 12 – Carta di interpretazione di Douglas e Holsen (1981)

Per prove CPTu:
Classificazione di Robertson et ali. (1986)
Robertson e Campanella hanno messo a punto due carte di classificazione utilizzando il medesimo parametro qt per l’ordinata, ma due parametri diversi per le ascisse (R_f e B_q). Come specificato sul paragrafo precendente q_t rappresenta la resistenza alla punta corretta ed R_f  il rapporto Schmertmann. B_q è il rapporto della pressione nei pori (pore pressure ratio):
B_q=(u₂-u₀)/(q_t·σ_v0)
Dove:
u₂= pressione neutra misurata con  filtro poroso posto subito dopo la base del cono
u₀=pressione idrostatica
q_t=resisteza alla punta corretta in base alla u
σ_v0= carico litostatico totale

Gli autori suggeriscono di utilizzare entrambi i grafici, perchè i fattori di influenza sono numerosi. Ovviamente è possibile ottenere indicazioni differenti. In questo caso l’operatore deve sopperire con il proprio giudizio.
A puro titolo di esempio: se durante una prova otteniamo i segueti valori: q_t= 1MPa, R_f=4%, B_q=0 il terreno in esame potrebbe essere classificato come argilla sulla carta (q_t,R_f) e limo argilloso sull’altra.
E’ possibile superare le incertezze con misure di dissipazione. Se la dissipazione è piuttosto rapida (t₅₀<60 s) il terreno appartiene alla seconda categoria.

Fig. 13 – Carta di interpretazione di Robertson (1986)

Classificazione di Robertson (1990)
L’autore ha introdotto due nuovi parametri, per tenere conto dell’influenza che la pressione litostatica può esercitare con la profondità:
q_t=normalizzata=(q_t-σ_v0)/σ’_v0 valore utilizzato nelle ordinate di entrambi i grafici in scala logaritmica
R_f =normalizzata= f_s/(q_t-σ_v0)
B_q =normalizzata
B_q=ΔU/(q_t-σ_v0)
Dove:
ΔU=u₂-u₀
La carta di classificazione è applicabile solo dove il contributo delle tensioni litostatiche diventa alto; tanto da modificare significatamente la qc. Per tale motivo l’autore consiglia di utilizzarli per profondità maggiori di 30 m dal piano campagna.

Fig. 14 – Carta di interpretazione di Robertson (1990)

I campi, o classi SBTn, in cui è diviso il grafico di Figura 14 sono contraddistinti da numeri, a cui corrispondono i seguenti tipi di terreno:
1. terreno sensitivo a grana fine;
2. terreno organico, torba;
3. argille: da argille ad argille limose;
4. limi: da limi argillosi a argille limose;
5. sabbie: da sabbie limose a limi sabbiosi;
6. sabbie: da sabbie pulite a sabbie limose;
7. da sabbie ghiaiose a sabbie;
8. da sabbie molto dense a sabbie argillose fortemente sovraconsolidate o cementate;
9. materiali fini granulari molto duri, fortemente sovraconsolidati o cementati.
Nella precedente classificazione un parametro fondamentale che identifica il tipo diterreno è il soil classification index Ic:

dove F_r è il rappoto d’attrito normalizzato mentre il Q_tn è la resistenza alla punta normalizzata, ma stavolta ha la seguente formulazione:

nellla quale p_a è la pressione atmosferica pari a 100 kPa, s_v0 e s‘_v0  sono rispettivamente la tensione geostatica totale e efficace. L’apice n è un parametro che dipende dal tipo di terreno (quindi varia con Ic) perciò per la sua determinazione sono necessarie delle iterazioni di calcolo.
La classi di terreno SBTn secondo l’indice Ic sono ordinate come segue in Tabella 1.

Tab. 1 – Classificazione secondo l’indice Ic

Stima dei parametri geotecnici

Per quanto riguarda le correlazioni fra la resistenza penetrometrica e le proprietà dei terreni, nel caso di terreni incoerenti, la stima della densità relativa può essere eseguita con l’equazione proposta da Jamiolkowski et al. e riportata in Fig. 15, dove si evidenzia l’influenza della compressibilità.

Fig. 15 – Correlazione di Jamiolkowski et al. per la stima della densità relativa, q_c ed s‘_v0 [t/m²]

Un’altra correlazione è quella di Baldi et al. 1986 (Fig. 16).

Fig. 16 – Correlazione di Baldi et al. 1986 per terreni NC e OC

Per la stima dell’angolo di resistenza a taglio è possibile applicare la correlazione proposta da Robertson e Campanella (1983), valida per sabbie quarzose non cementate, rappresentata dall’equazione:

Oppure la correlazione di Mayne (2006).

Una semplice correlazione fra la resistenza penetrometrica di punta qc ed modulo di Young secante, drenato. Valida per sabbie quarzose non cementate è quella proposta da Robertson e Campanella (1983).

E₂₅=2·q_c

L’avanzamento del penetrometro statico in terreni a grana fine saturi avviene in condizioni non drenate.

La stima della resistenza a taglio non drenata può essere eseguita con la correlazione di Baligh (1980), caratterizzata dalla seguente relazione:

Il coefficiente N_k cresce con  l’indice di plasticità e viene assunto di norma pari a 14 per prove CPTe e pari a 20 per prove CPTm.

Il modulo edometrico E_d, può essere caratterizzato attraverso la formula empirica di Mitchell & Gardner (1975).

E_d=a·q_c

Il parametro a assume i valori riportati sulla Fig. 17.

Fig. 17 – Parametro a per la correlazione di Mitchell & Gardner (1975)

Un’altra formula empirica, valida per sabbie argillose è quella proposta da Buisman-Sanglerat:

E_d=a·q_c

Con a=1.5÷7 aumentando al diminuire della granulometria e della resistenza alla punta del penetrometro.

In Static Probing sono state implementate diverse correlazioni per effettuare la stima dei parametri geotecnici, classificati in funzione della natura del terreno in: correlazioni per terreni incoerenti, per i coesivi e per la stima della velocità delle onde di taglio (Vs).

Correlazioni implementate in Static Probing 

 

Bibliografia
Carlo Viggiani. Fondazioni. Hevelius edizioni
Renato Lancellotta Geotecnica Zanichelli
Dispense geotecnica. J. Facciorusso, C.Madai, G. Vannucci Università degli studi di Firenze
D. Lo Presti, C. Meisina, N. Squeglia, (2009),Applicabilità di prove penetrometriche statiche nella ricostruzione del prolo stratigraco, Rivista Italiana di Geotecnica 2/2009
Manuale operativo Pagani
Help Static Probing Geostru

Prove penetrometriche statiche – STATIC PROBING

È il programma di archiviazione ed elaborazione di Prove Penetrometriche Statiche a punta meccanica CPT, punta elettrica CPTE e piezocono CPTU. I metodi di interpretazione litologica e stratigrafica sono elaborati per un passo a scelta dell’utente, anche centimetrico, con le metodologie (oltre quelle storiche di Begemann e Schmertmann) più affermate in campo internazionale e recenti (Robertson, Douglas-Olsen, Koester ecc. con dati standard o “normalizzati” di qc e fs).