Prove penetrometriche dinamiche e formule empiriche
Indagini in situ
Lo scopo delle indagini in situ è quello di adottare opportune tecniche per consentire la determinazione delle caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni da studiare. Tra le indagini in situ vi sono le prove penetrometriche impiegate comunemente per la caratterizzazione fisico meccanica del volume significativo di sottosuolo.
La combinazione di tali prove con sondaggi, prove di laboratorio sui campioni prelevati nel corso delle fasi di perforazione dei sondaggi ed indagini indirette (es. sismica) è riconosciuta come una tecnica valida per l’indagine di sottosuolo in quanto restituisce un’indicazione effettiva sui parametri e sulla natura dei litotipi. Pertanto, le prove di laboratorio e le prove in situ non sono alternative le une alle altre ma sono da ritenersi complementari.
Classificazione delle prove penetrometriche
Tra le prove penetrometriche vengono distinte:
- prove statiche: CPT e CPTU (con piezocono); [Descrizioni dettagliate in DIN 4094, 1974; BS 5930 e ISO22476-2, 2005; Tab.2]
- prove dinamiche: DP, SPT e prove dilatometriche [Descizioni dettagliate in ASTM6951-03 e ISO22476-2]
In questo articolo verrà posta particolare attenzione sulle prove penetrometriche dinamiche.
Prova dinamica e vantaggi
La prova dinamica (dynamic probe) consiste nel misurare il numero di colpi necessari per far avanzare la punta del cono nel terreno ogni 100mm (o 200mm a seconda del maglio e della strumentazione considerata), l’incremento della resistenza alla punta viene misurato come misura della resistenza al taglio (shear strength).
Tali prove possiedono i seguenti vantaggi: velocità nell’esecuzione, facilità d’uso, prezzi contenuti, abilità di fornire un profilo continuo di sottosuolo, identificazione di layer sottili di sottosuolo, distinzione tra suoli coesivi e non, consente di ottenere parametri geotecnici del terreno mediante correlazioni ed infine, consente di valutare la variazione del grado di consistenza/addensamento dei terreni investigati, con una precisione decimetrica. Quest’ultimo aspetto risulta estremamente difficile o del tutto impossibile da determinare attraverso altre tecniche d’investigazione ben più costose.
Studi precedenti e considerazioni sulla coesione non drenata Cu
La prova penetrometrica dinamica risulta estremamente efficiente per l’investigazione di terreni incoerenti, ma considerando alcune limitazioni oggettive, è possibile eseguire la prova anche nei terreni limitatamente coesivi, interpretando i parametri di resistenza alla rottura secondo condizioni non drenate attraverso il valore Cu (coesione non drenata).
Alcuni autori hanno mostrato la relazione tra differenti caratteristiche del suolo (Coesione non drenata Cu) ed i risultati delle prove penetrometriche dinamiche. In particolare, la resistenza alla punta (dynamic point resistance, qd) può essere calcolata usando le seguenti formule:
qd=M1/(M1+M2)*rd
rd = M1*g*h/A*e
Dove:
-
- rd : unit point resistance (Pa);
- M1: massa del maglio (Kg);
- M2: massa delle aste (Kg);
- g: accelerazione di gravità (m/s2);
- h: altezza di caduta del maglio (m);
- A: area di base del cono (m2);
- e: penetrazione media in metri per colpo (0.1/M dalle prove DPL, DPM e DPH e 0.2/M da DPSH; M: è il numero di colpi per 100mm di penetrazione)
Butcher et al (1996) hanno dimostrato che i risultati delle prove dinamiche ottenuti da differenti configurazioni delle attrezzature mostrano valori simili di qd per gli stessi profili di suolo argilloso. Sulla base di dati ottenuti da indagini effettutate su suoli coesivi, tali autori hanno determinato la coesione non drenata Cu (Kpa) come riportato in Tab.1.
Soil type | Correlation | References |
Soft clay | Cu=qd/170+20 (Cu<50kPa) | Butcher et al (1995) |
Hard clay | Cu=qd/22 (Cu≥50kPa) | Butcher et al (1995) |
Clay | Cu=qd/20 | Langton (2000) |
Fine soil | Log10CBR=0.35+1.06Log10*qd | Amor et al (1999) |
Fine soil | MR=532.1(DCPI)^-0.492 | Rahim and Georg (2004) |
Tabella 1 – Confronto dei dati di correlazione tra i risultati delle prove dinamiche e CBR, MR e Cu. MR is the resilient modulus (MPa); CBR, California bearing ratio (%); qd, dynamic point resistance (KPa); DCPI, penetration index of the dynamic penetration test (mm/blow); Cu, undrained shear strength (kPa).
Dettagli delle prove penetrometriche dinamiche
Stima della coesione non drenata (Cu)
Alcuni autori hanno proposto una relazione tra i risultati ottenuti dalla prova penetrometrica dinamica (qd) e la coesione non drenata (cu) come di seguito mostrata:
logqd=0.637logcu+2.243
la formula può essere riscritta come:
cu=qd^1.57/3320
Stima della percentuale di compattazione (CP)
Una delle applicazioni della prova penetrometrica dinamica potrebbe essere il controllo del grado di compattazione (fill compaction quality) per esempio per materiale coesivo del nucleo di un rilevato per dighe (embankment dams) o per marciapiedi.
Khodaparast et al. (2015) hanno determinato una correlazione sperimentale tra CP ed il dato qd ottenuto dalle prove penetrometriche (DPM e DPL, Tab.1) secondo le equazioni:
CP= 131.27(DCPI)^-0.240 | per DPL |
CP=155.96 (DCPI)^-0.280 | per DPM |
Dove:
- DCPI è l’indice di penetrazione della prova penetrometrica dinamica in mm/colpo
- CP è la compattazione percentuale
Innovazione
Come visto in precedenza, qd è calcolato dalle diverse prove penetrometriche dinamiche, pertanto si può correlare tale dato a CD come segue:
CP= 16.654qd^0.193
L’innovazione ed il vantaggio che sta in questa correlazione è la seguente: mentre le altre formule di correlazione sono legate a prove specifiche (es. DPC), questa invece è basata sulla resistenza alla punta (qd) che può essere usata per differenti configurazioni di prove dinamiche.
In Fig.1 è mostrata la buona correlazione tra i risultati ottenuti dalle prove sperimentali.
Software Geostru Dynamic Probing
Le formule sopra descritte sono state riportate ed implementate negli ultimi aggiornamenti del software Geostru Dynamic Probing, e nello specifico, nella sezione “Current test” sono state inserite anche le colonne con i dati relativi a CBR, MR e CP (Fig.2).
Suggerimenti Software e Goapp
Considerando quanto descritto, per affrontare al meglio gli studi che riguardano gli aspetti relativi all’analisi dei risultati ottenuti dalle prove penetrometriche, si consigliano in particolare i seguenti software:
- DYNAMIC PROBING – Prove penetrometriche dinamiche– Programma di elaborazione di Prove Penetrometriche Dinamiche, con gestione ed archiviazione di ogni tipo di sonda penetrometrica (anche nuova o personalizzata), e prove SPT in foro.
- STATIC PROBING – Prove penetrometriche statiche– Programma di archiviazione ed elaborazione di Prove Penetrometriche Statiche a punta meccanica CPT, punta elettrica CPTE e piezocono CPTU.
Tra le app disponibili sulla pagina web Geoapp (servizio disponibili per effettuare calcoli on-line) ve ne sono diverse da poter utilizzare insieme ai software citati in precedenza, ad esempio:
Bibliografia
American Society of Testing Materials, Standard test method for use of the dynamic cone penetrometer in shallow pavement applications (D 6951-03), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.
British Standards Institution, Code of Practice For Site Investigations,1999, BS 5930, pp. 59-60.
Butcher AP, McElmeel K, Powell JJM. Dynamic probing and its use in clay soils, In Proceedings of the International Conference on Advances in Site Investigation Practice, ICE London, Thomas Telford, 1996, pp. 383-395.
Deutsches Institut fur Normung, Dynamic and static penetrometers, Dimensions of apparatus and method of operation, DIN 4094, e. V. Berlin, 1974.
ISO 22476-2, Geotechnical investigation and testing, Field testing, Part 2: Dynamic probing, Case postal 56, CH-1211 Geneva 20, 2005.
Khodaparast M., Rajabi A.M. and Mohammadi M., 2015 – The new empirical formula based on dynamic probing test results in fine cohesive soils.