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Prove penetrometriche – GEON (BAT) – Indagini speciali in situ

Massimo Sacchetto

S.P.G. s.r.l. via dell’Artigianato 24 Adria (Ro) e-mail spg@stargatenet.it http://www.spgeo.it

Massimo Sacchetto, nato ad Adria (Ro) il 24-2-59, Ingegnere libero professionista, laureato nel1984 in Ingegneria Civile Idraulica con tesi in geotecnica (effetti del disturbo nel campionamento diterreni coesivi). Ha lavorato dal 1981 a data odierna come Direttore Tecnico e Amministratore (dal1996 al 2002) di Società di perforazioni e come Consulente. Libero professionista in campogeotecnico. Attualmente svolge la propria attività in Italia come Amministratore della Ditta SPG.Titolare del brevetto del CPTWD (cone penetration test while drilling). Dal 1981 ha seguito lagestione di imprese operanti in campo geognostico, ambientale, e di opere specialistiche nelsottosuolo (pali, diaframmi ecc), nonché realizzazione di attrezzature speciali per le perforazioni ascopo geognostico ed ambientale.

1.PREMESSE:

Prima di tutto è utile definire compiutamente

l’ambito della cosiddetta “indagine geognostica

ed ambientale”. Generalizzando si può

affermare che vi è un certo ambito di

profondità a partire dalla superficie dove

l’esplicarsi dell’attività umana in genere (scavi,

costruzioni, opere in sotterranea, estrazione di

fluidi dal sottosuolo) richiede un’affidabile

parametrizzazione del sottosuolo, ai fini

essenzialmente di:

-progettazione delle fondazioni di nuove opere

o ripristino delle esistenti

-valutazione della fattibilità e rapporto

costi/benefici delle opere di fondazione in

genere

-valutazione e prevenzione di rischi

idrogeologici in genere (ad es.frane, alluvioni);

-valutazione dell’impatto ambientale con

riferimento particolare alla preservazione degli

strati acquiferi

-modellazione matematica del sottosuolo per

la simulazione d’effetti particolari, quali ad es.

la subsidenza indotta dall’estrazione dei fluidi

dal sottosuolo, la diffusione di contaminanti, la

prevenzione di rischi idrogeologici ed

ambientali ecc;

-pianificazione mirata dello sfruttamento delle

risorse del sottosuolo, compreso lo studio dei

cosiddetti acquiferi (falde) ed aquitardi (strati di

bassa permeabilità che separano di fatto gli

acquiferi)

Di seguito ci si riferirà con il termine

“ambientale” a tutte quelle problematiche che

coinvolgono la conoscenza del terreno in

termini di: inquinamento (presenza di

inquinanti), sfruttamento idrico (studio delle

falde), valutazione del rischio ambientale e/o

idrogeologico (ad es.studio della permeabilità

del terreno, direzione delle falde).

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Recentemente il termine “ambientale” viene

tuttavia esteso anche a problematiche di più

ampio respiro, come ad esempio lo studio

delle frane, lo studio dei dissesti idrogeologici

su larga scala, lo studio dello sfruttamento

intensivo delle falde acquifere profonde, lo

studio di fenomeni di subsidenza, ecc

Necessariamente, per motivi di spazio, in

questa sede non si tratterà di metodologie di

indagine geognost ica appl icabi l i a

problematiche su larga scala (come quelle

appena citate), bensì si cercerà di dare una

panoramica su quelle metodologie impiegate

per indagini a modesta profondità (da qualche

metro a qualche decina di metri) che

interessano problemi “superficiali”, con

qualche cenno a metodologie di indagine

profonda.

Lo studio di queste problematiche di tipo

“ambientale” (nel senso appena definito) é

necessariamente preceduto dall’indagine

geognostica, finora eseguita con metodi

tradizionali più o meno perfezionati, gran parte

dei quali introdotti da molte decine d’anni e

tuttora di impiego comune. Dal punto di vista

strettamente operativo la parametrizzazione

generale del sottosuolo avviene con

determinati mezzi che sono schematizzabili

nelle seguenti categorie:

a) metodi di indagine diretta:

• Sondaggi a carotaggio continuo;

• Sondaggi a distruzione di nucleo (con o

senza diagrafia: dei parametri di

perforazione);

• Sondaggi a tecnica mista;

• Prove penetrometriche statiche e

dinamiche, con punte convenzionali o con

punte speciali;

• Prove con tecnica mista (ad es.”direct

push”), con attrezzature specificatamente

impiegate a scopi di ricerca ambientale

• Prove in sito e prelievo di campioni di

terreno (indisturbati, rimaneggiati)

• Prelievo di campioni di fluido

• prove di laboratorio, geotecnico e/o

chimico sui campioni e/o sulle carote

• Strumentazione del foro d’indagine con

piezometri, assestimetri, inclinometri, altre

apparecchiature specifiche (sensori vari).

b) metodi d’indagine indiretta (impiegate in

casi particolari o in perforazioni profonde)

• prove geoelettriche SEV, georadar

• prove per il rilievo di particolari parametri

indici del terreno contaminato (ad

es.resistività), anche eseguite nell’ambito

di prove penetrometriche statiche e/o

dinamiche (ad es.con attrezzature tipo

Geoprobe);

• prove sismiche down-hole o cross-hole;

• gamma ray;

• logs specifici in pozzo (log di porosità, log

di resistività, ecc.) impiegati in genere per

lo studio di strati profondi;

L’applicazione dei metodi sopra citati e la

scelta di impiegare una determinata

metodologia di indagine geognostica è

funzione essenzialmente del tempo (e quindi i

costi) per ottenere certi parametri del terreno e

dell’affidabilità degli stessi parametri (sempre

in relazione al problema in esame).

Per quanto concerne il tempo (e quindi i costi)

questo è in relazione a diversi fattori quali:

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· l’estensione (in termini di volume) del terreno

in cui sono da compiere le indagini e quindi in

funzione del numero di verticali di indagine e

di profondità

· la metodologia di indagine, intesa anche

come tipologia di attrezzature impiegate, che a

sua volta dipende anche questa dalla

profondità e dall’affidabilità (anche in

relazione al rapporto costi/benefici) dei

parametri geotecnici ottenuti.

Gran parte delle indagini “indirette” sopra

citate sono ancora relativamente poco usate a

scopo geotecnico e soprattutto ambientale

“superficiale” (dell’ordine di metri o poche

decine di metri), anche perché in tale ambito

necessitano comunque di indagini “dirette”

almeno per taratura.

Sono invece largamente impiegate per lo

studio di acquiferi o strati profondi.

Nei terreni cosiddetti “fini” o meglio

“penetrabili” (ovvero argille plastiche, limi,

sabbie non cementate) uno strumento molto

diffuso ed affidabile per la conoscenza del

terreno dal punto di vista meccanico e

stratigrafico in genere, (anche per la ripetibilità

intrinseca dei risultati) è il penetrometro

statico.

La più grande limitazione di tale strumento

(oltre a quella di poter essere impiegato

solamente in terreni fini) risiede nel fatto che

non sono superabili comunemente profondità

dell’ordine di 40÷50 metri a partire dalla

superficie , se non ricorrendo a costosi artifici.

I costi dell’indagine con il penetrometro statico

sono decisamente minori rispetto ad altri tipi di

indagine; l’affidabilità, la rapidità e la grande

ripetitività dei dati compensano in molti casi il

fatto che i parametri significativi misurati

durante la prova penetrometrica standard

sono solo due (al massimo tre); d’altro canto la

diffusione da decenni di questa tecnologia ha

permesso di ottenere validissime correlazioni

fra i parametri geotecnici e i dati

pene t romet r i c i , spec ia lmen te con

strumentazioni dell’ultima generazione

(piezocono).

Nei terreni “non penetrabili”: grossolani

(ghiaie, ciottoli, roccia) o lapidei o ancora in

terreni sciolti a profondità maggiore di

40÷50m, non è possibile impiegare il

penetrometro statico ma l’unica metodologia

(in senso lato) di indagine geognostica è

quella dei sondaggi a carotaggio continuo con

prelievo ed esame di campioni, prove in foro e

strumentazione del foro stesso in caso di

monitoraggio, con ovvie limitazioni legate alla

alterazione del terreno durante le fasi di

prelievo e di test di laboratorio. Direttamente

derivata da una necessità di controllo della

perforazione ad uso petrolifero, in terreni dove

l’uso del penetrometro non è possibile (terreni

non penetrabili) è stata implementata anche a

scopo geognostico (ma non ambientale, se

non in senso lato) una metodologia a costo

relativamente basso (diagrafia dei parametri di

perforazione, in Inglese MWD: Monitoring

while drilling) che permette di perforare

velocemente (o almeno più velocemente

rispetto alle perforazioni a carotaggio

continuo) registrando tutti i parametri di

perforazione.

Questa registrazione, nell’ambito della stessa

area definisce delle correlazioni buone fra i

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dati di perforazione e i parametri geotecnici,

previa taratura con sondaggi a carotaggio

continuo ed analisi di campioni.

Tale metodologia permette di eseguire molte

verticali nell’ambito della stessa area ad un

costo decisamente minore rispetto a quello

dell’indagine “tradizionale”.

2 CAROTAGGIO

Si indica come “carotaggio” la procedura

secondo la quale sono prelevate “carote” di

terreno a profondità superiori a quella di piano

campagna.

Le “carote” sono porzioni cilindriche di suolo

prelevato di lunghezza variabile, normalmente

da qualche decimetro a tre metri o più in caso

di attrezzature speciali.

Normalmente le carote dopo l’estrazione del

carotiere vengono poste in cassette

catalogatrici per la loro conservazione, e, in

materiali coesivi a scopi di classificazione

geotecnica, vengono eseguite prove speditive

di resistenza con penetrometro e scissometro

tascabili (pocket penetrometer e torvane

Se sono prelevate in successione continua il

sondaggio è definito “a carotaggio continuo”,

viceversa può essere definito come sondaggio

“a distruzione di nucleo” (nessuna operazione

di carotaggio) o a distruzione di nucleo a

carotaggio salutario, nel caso si alternino

operazioni di perforazione con e senza

carotaggio.

La nomenclatura odierna prevede una

distinzione fra “carote” e “campioni”, anche se

questa distinzione è formalmente corretta solo

in determinati casi; in realtà alcuni campioni si

prelevano dalle carote, altri con appositi

“campionatori”, in alcuni casi le carote stesse

possono essere considerate come “campioni”.

In campo geotecnico un campione si

differenzia dalla carota in quanto è prelevato

con accorgimenti atti a conservare il più

possibile le caratteristiche originali (umidità,

plasticità, consistenza, coesione, ecc) e

permettere l’esecuzione di prove più

sofisticate del semplice riconoscimento (prove

di compressibilità, triassiali, di permeabilità).

Nel campo delle perforazioni ambientali il

“campione” (da sottoporre ad analisi chimiche)

è tale in quanto conserva le carattaristiche

chimiche del terreno in situ anche senza

conservare le caratteristiche geotecniche,

(salvo ovviamente i casi in cui sia necessaria

una verifica anche geotecnica per una

progettazione/indagine ambientale).

Quindi essenzialmente si definiscono

operazioni di “carotaggio” quelle che

permettono la definizione della stratigrafia,

operazioni di “campionamento” quelle che

permettono il prelievo (con differenti gradi di

disturbo) di tratti isolati di terreno da sottoporre

ad analisi di laboratorio.

In passato le sonde erano comunemente a

percussione; negli ultimi decenni i sondaggi a

carotaggio continuo vengono comunemente

eseguiti da sonde a rotazione.

Il sistema a rotazione presenta innumerevoli

vantaggi rispetto al sistema a percussione

tranne quello (rilevante in certi casi in campo

ambientale) di necessitare di una certa

quantità di acqua per la perforazione.

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Le sonde moderne sono tutte idrauliche,

significa che le operazioni principali (spinta,

tiro, rotazione, funzionamento della pompa

fanghi) sono funzionanti tramite circuiti

“idraulici” di olio a pressione per pistoni, motori

idraulici e pompe.

Sono composte da un telaio (su cingoli, su

camion, su trattore, su slitta) sul quale è

montata la torre di perforazione, la pompa

fanghi, l’argano, la morsa, ecc.

La torre monta lateralmente la cosiddetta

“testa di rotazione” (che fornisce la rotazione)

la quale scorre in direzione verticale grazie

all’azione di un sistema di pistoni che

forniscono la spinta.

Quindi l’energia trasmessa all’utensile di

perforazione per l’avanzamento (nelle

sonde a rotazione) è suddivisibile in:

rotazione, spinta, energia del fluido

iniettato per disgregare ed

2.1 Sistema di carotaggio ad aste e carotiere

Il sistema convenzionale per l’esecuzione di

sondaggi a carotaggio continuo consiste

nell’infissione (a spinta e rotazione) di un

carotiere (semplice o doppio) per una

lunghezza variabile. La spinta e la rotazione

vengono impresse da aste di piccolo diametro;

il recupero del carotiere, al termine della

manovra di carotaggio, avviene con le aste

stesse, così come il posizionamento del

carotiere a fondo foro prima della manovra di

carotaggio.

Il tratto precedentemente carotato, dopo

l’estrazione del carotiere, viene rivestito con

tubazione di diametro interno maggiore di

quello del carotiere.

Il metodo “convenzionale “ quindi consiste in

una continua alternanza di manovre di

carotaggio e manovre di rivestimento, come

schematizzato nella figura seuente:

Come opzione al carotaggio a fondo foro

possono essere prelevati campioni o eseguite

prove in situ (prove di di permeabilità, prove di

resistenza meccanica, ecc).

Il sistema di recupero a fune o “wire-line”

Inizialmente nato per la perforazione profonda,

in particolare petrolifera e poi a carotaggio

continuo in roccia, è stato successivamente

modificato per l’esecuzione di sondaggi in

terreni di qualsiasi natura.

Tuttavia non è un metodo né molto diffuso nel

campo delle indagini geognostiche poco

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profonde (qualche decina di metri) né (forse

proprio a causa della scarsa diffusione)

comunemente accettato, dato che il suo

utilizzo non è semplice come l’impiego di

metodi “convenzionali” e quindi il suo uso da

parte di operatori non molto specializzati

comporta alte probabilità di insuccesso. Inoltre

in ambito puramente “ambientale”, la

necessità di non impiegare fluido di

circolazione limita l’impiego di qualsiasi

sistema che faccia uso di circolazione di

acqua o acqua e polimeri, fra cui il sistema

“wire-line”.

2.2 SISTEMA DI CAROTAGGIO WIRE-LINE

Il sistema di recupero a fune per l’esecuzione

di sondaggi a carotaggio continuo consiste

nell’impiegare il carotiere dopo averlo reso

solidale alla colonna di rivestimento (che, in

questo caso, di fatto sostituisce le aste di

perforazione); spinta e rotazione vengono

impresse quindi dallo stesso rivestimento.

Il sistema pertanto è costituito essenzialmente

da:

7 Aste di perforazione (o “colonna” di

rivestimento) entro le quali, nella parte

bassa terminale, è ricavata una sede per il

carotiere o l’utensile di perforazione in

genere.

Carotiere o utensile di perforazione in genere:

scorre all’interno delle aste di perforazione e

possiede un sistema di aggancio che lo rende

solidale alle aste, sia in termini di rotazione

che di spinta;

nell’intercapedine fra la parete esterna del

carotiere e la parete interna delle aste scorre il

fluido di circolazione, che ha il compito di

lubrificare il foro ed asportare i detriti di

perforazione.

Il fluido viene recuperato e decantato in

superficie prima di essere rimesso in circolo.

A seconda del tipo di terreno vi possono

essere diversi tipi di carotiere (a testa fissa,

più o meno sporgenti dall’estremità delle aste,

a doppia parete, ecc) o al posto del carotiere

può essere calato dentro la batteria di aste un

utensile disgregatore (trilama o scalpello a

rulli) o un campionatore, o altro

I vantaggi del sistema di recupero a fune

rispetto al metodo tradizionale, qualora

correttamente impiegato, sono:

-qualità migliore del carotaggio (ossia con

effetti di disturbo più limitiati se confrontati con

i metodi tradizionali) e (in genere) maggior

percentuale di recupero.

-maggior rapidità di esecuzione oltre una certa

quota, i l vantaggio cresce più che

proporzionalmente con la profondità

-è richiesto minor sforzo alla perforatrice:

infatti il rivestimento è costantemente in

rotazione e lubrificato dal fluido; con il sistema

tradizionale l’infissione del rivestimento è

discontinua e quasi sempre senza recupero di

fluido.

-possibilità di intercambiare diversi tipi di

utensile, sempre con recupero a fune e di

eseguire anche manovre di recupero dopo

brevi tratti di perforazione con conseguente

aumento dell’accuratezza e senza aggravi per

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quanto riguarda i tempi complessivi di

esecuzione.

Gli svantaggi del sistema wire-line rispetto al

metodo convenzionale sono:

-maggiore complessità d’uso e necessità di

grande esperienza da parte dell’operatore.

-necessita di avere una continua circolazione

di acqua e/o acqua e bentonite (polimero)

all’esterno delle aste di perforazione, e quindi

in caso di indagini ambientali tale sistema può

provocare la diffusione di inquinanti assieme al

fluido di circolazione.

-maggior impegno nella installazione della

sonda e preparazione dell’impianto di ricircolo

dei fanghi.

-gestione dei fanghi di perforazione

(preparazione, iniezione, dosaggio, ricircolo,

smaltimento a fine lavori)

-maggior costo complessivo della perforatrice

per la presenza di pompa fanghi adeguata e

argano speciale e soprattutto maggior costo

dei carotieri e relativi accessori

Complessivamente quindi, salvo poche

eccezioni, il sistema wire-line è applicato

limitatamente a sondaggi di una certa

profondità (il limite inferiore di convenienza

può essere considerato a circa 50 metri), in

certi tipi di terreno, se il tipo di lavoro lo

richiede e soprattutto se la Ditta esecutrice è

già dotata di impianti adeguati e personale

esperto. In sondaggi a scopo ambientale

limitati a pochi metri di profondità tale sistema

è sconsigliato, preferendo il sistema

tradizionale ad aste, carotiere e rivestendo il

foro “a secco” (ovvero con poco fluido).

Viceversa tale sistema praticamente non ha

alternative per indagini profonde.

I dati raccolti in fase di sondaggio a carotaggio

continuo: stratigrafia, prove in foro di

sondaggio, rilievi di falda, strumentazione del

foro, vengono raccolti in moduli, la cui stesura

è fatta in accordo a simbologie standard

(norme AGI, ASTM, ANISIG, ecc).

Tali moduli sono ( o dovrebbero essere) di

caratteristiche standard, almeno per quanto

riguarda la simbologia della descrizione

stratigrafica.

2.3 CAMPIONATORI

I campionatori (di terreno) propriamente detti,

impiegati specialmente per indagini

geotecniche sono essenzialmente di tre tipi:

campionatori a pareti sottili, campionatori a

pareti grosse e campionatori rotativi.

I campionatori a pareti sottili sono così

chiamati perché sono strutturati in modo da

permettere l’infissione a pressione (non a

rotazione o percussione) in terreni

campionabili (limi, argille, o i genere terreni

coesivi e/o sciolti) di una fustella di acciaio

inox “a pareti sottili” (qualche mm). La fustella

viene fatta prelevare lentamente nel terreno a

pressione cosicchè il campione viene

recuperato assieme con essa in condizioni

ragionevolmente indisturbate. Vi sono diversi

tipi di questi campionatori, i più comuni sono

tipo “shelby” o tipo “osterberg” (quest’ultimo

garantisce una migliore qualità).

I campionatori a pareti grosse, ora non più

impiegati in geotecnica (se non per campioni

in sabbie e/o ghiaie), sono più impiegati in

caso di indagini “ambientali” dove la qualità del

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campione dal punto di vista geo-meccanico

non è importante rispetto all’esigenza di

preservarne le caratteristiche chimiche. Ecco

che in qualche tipo di terreno la campionatura

a percussione (o anche applicando spinta e

rotazione) è l’unica alternativa al campione

indisturbato a pareti sottili, specialmente in

caso di indagine ambientale.

I campionatori rotativi sono impiegati in caso di

terreni compatti e rocciosi; il” contenitore “ del

campione o fustella (detta in questo caso

“liner”) sono contenuti all’interno di un

carotiere, il quale ruota all’esterno del

contenitore, disgregando il terreno circostante,

grazie anche all ’ iniezione di acqua

nell’intercapedine fra il contenitore e la parete

interna del carotiere esterno.

L’impiego di un campionatore rispetto ad un

altro dipende da molti fattori, fra i quali: scopo

del sondaggio, tipo di terreno, tipo di parametri

da ottenere dalle analisi eseguite nel

campione, esperienza dei tecnici, tipo di sonda

a disposizione, ecc.

Quindi la scelta del tipo di campionatore è

cruciale ai fini di una corretta valutazione delle

caratteristiche geo-meccaniche e chimiche del

sottosuolo, in quanto una procedura non

corretta di campionamento potrebbe portare a

valutazioni inesatte, sia dal punto di vista

strettamente geotecnico (e quindi una errata

modellazione del terreno) che dal punto di

vista chimico-ambientale (e quindi una errata

valutazione del rischio ambientale o

inquinamento).

E’ quindi importante valutare attentamente in

sede di programmazione dell’indagine, in

funzione di diversi fattori (tipo di terreno, scopo

e importanza dell’ indagine, mezzi a

disposizione, ecc) la qualità ottenibile dei

campioni (da “disturbato” a “indisturbato”) in

relazione al problema da trattare.

Le stesse definizioni di “disturbato” ed

“indisturbato” assumono significati differenti a

seconda del contesto; ad esempio un

campione “indisturbato” dal punto di vista

chimico può essere classificabile come

“disturbato” dal punto di vista geotecnico, e

viceversa.

Vi sono campionatori molto sofisticati che

permettono un camponamento continuo del

terreno che viene in questo caso “avvolto”

durante la penetrazione del campionatore in

una calza o in nastri (campionatore tipo

Kjelmann e Begemann); l’impiego di tali

campionatori, dato il costo, è riservato allo

studio di problematiche particolari e non viene

in genere proposto in Italia.

3 PENETROMETRO STATICO

Il penetrometro statico è essenzialmente un

sistema di spinta a velocità costante

(indipendente dallo sforzo richiesto) composto

da uno o due pistoni idraulici azionati da un

circuito oleodinamico speciale appositamente

studiato per tale tipo di operazioni (velocità

costante d’infissione, avanzamento controllato,

sollevamento rapido, sincronizzazione con il

cambio dell’asta, ecc.).

Dato che l’infissione di una batteria di aste di

piccolo diametro (circa 3.6 cm) richiede

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comunque una spinta notevole, anche in

funzione della profondità ed in considerazione

del fatto che un penetrometro con buone doti

di spinta assicura la costanza della velocità

indipendentemente dalla resistenza del

terreno, la spinta non dovrebbe essere mai

inferiore a 50-100 kN (5-10 tonnellate) con

adeguata capacità di contrasto assicurata

dallo stesso peso del penetrometro (tipo

“zavorrato”) o da eliche di contrasto infisse nel

terreno.

I moderni penetrometri sono dotati di capacità

di spinta anche di 250÷300 kN. Al termine

della batteria di aste viene infissa nel terreno

la punta penetrometrica, che può essere di 3

tipi: punta meccanica, punta elettrica e

piezocono. Vi sono poi punte con sensori

special i (sismici, chimici) o punte

elettriche/piezoconi con “moduli” aggiuntivi

(tipo pressiocono o punta sismica, punte FFD

con sensori a fluorescenza, ecc.)

I penetrometri statici, pur consistendo

essenzialmente di un sistema di spinta e di un

sistema di ancoraggio o zavorra, sono di tipi e

dimensioni molto differenti a seconda

dell’allestimento e dell’uso per cui sono

destinati.

In questa sede si tralasciano i penetrometri

per indagini speciali, come quelli impiegati per

il fondo marino.

3.1 CPT: prova penetrometrica statica con

punta meccanica

La punta meccanica (prova CPT: cone

penetration test propriamente detta) è il

modello meno recente.

Consiste di:

• una parte terminale (punta vera e propria)

di forma conica di area equivalente di 10

cm2 che riceve la spinta da una batteria di

astine concentriche alle aste “principali”,

• di un “manicotto” disposto sopra la punta

e dotato di movimento “di scorrimento

alto-basso” separato dalla punta, di un

sistema di misura della resistenza alla

penetrazione interposto fra la testa di

spinta e l’estremità delle aste.

• Sistema di misura in superficie:

manometri o cella di carico.

La prova CPT avviene secondo le seguenti

fasi

a) spinta sulle astine interne a velocità

costante per 4 cm e rilievo della resistenza

necessaria (cosiddetta res.di punta)

b) dopo i 4 cm iniziali di infissione, attraverso

un meccanismo interno viene agganciato il

manicotto alla punta cosicchè la spinta

esercitata sempre sulle astine interne fa

avanzare contemporaneamente la punta ed il

manicotto assieme di altri 4 cm. Il valore di

questa resistenza così misurata, detta

resistenza “totale” (punta+manicotto) detratto

della corrispondente porzione di res.di punta

(quella relativa ai secondi 4 cm) dà la

resistenza di attrito laterale, ovvero lo sforzo

per infiggere un manicotto in un terreno già

“rotto” dalla punta nella fase (a).

c) dopo gli 8 cm delle fasi (a) e (b) in cui sono

state compiute le misure sopra descritte, viene

spinta di ulteriori 12 cm tutta la batteria di aste,

agendo sulle aste principali (esterne) e senza

ri levare i valor i di rottura local i

(punta+manicotto) ma solo, in qualche caso, lo

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sforzo totale di penetrazione di tutta la batteria

di aste.

Si può quindi affermare che:

1. la prova penetrometrica statica è una

prova “a rottura” in quanto rileva le

resistenze necessarie all’infissione della

punta di forma e caratteristiche note entro

il terreno; il concetto è differente da quello

di prove di “deformazione” in quanto

queste provocano e misurano

deformazioni del terreno anche senza

arrivare a romperlo;

8 I parametri ottenibili sono molti e

relativamente affidabili proprio grazie alla

notevole diffusione da molti anni di questa

prova e le conseguenti possibilità di

taratura sia con altre metodologie di

indagine, che anche attraverso possibilità

di verifica in casi reali.

D’altro canto la prova soffre di evidenti

limitazioni quali: scarsa precisione del sistema

di misura dovuto anche alla presenza di molte

parti in movimento e quindi attriti (meccanismi

della punta, doppia batteria di aste

concentriche) e dall’imprecisione intrinseca dei

sistemi di misura tutt’oggi ancora diffusamente

impiegati (manometri, spesso non tarati) e dal

fatto che l’effettiva misura si riferisce ad un

tratto di soli 8 su 20 cm.

Attraverso i dati rilevati viene comunemente

calcolato il rapporto fra la resistenza di punta e

la resistenza di attrito laterale locale (rapporto

cosiddetto “Begemann”) o il reciproco

(rapporto delle resistenze o friction ratio

FR=100*Fs/Qc).

A parità di resistenza di punta, più basso è il

rapporto Begemann Qc/Fs e più il terreno è

argilloso, secondo l’omonima classificazione,

La proposta di classificazione del terreno

secondo Schertmann (più precisa di quella

Begemann) fa riferimento ad un grafico che in

ascissa mostra il rapporto delle resistenze FR

e in ordinata la resistenza di punta.

Alcuni autori, oltre a questo correlano le

grandezze penetrometriche con altri parametri

geotecnici, ad esempio: coefficiente di

compressibilità volumetrica, modulo di

elasticità, modulo di reazione, permeabilità.

Un’analisi critica delle correlazioni indica che il

campione di indagini su cui si basa la validità

di certe correlazioni è abbastanza ristretto,

ovvero si può affermare che nella maggior

parte dei casi le correlazioni hanno una

validità strettamente locale, verificata tramite

confronto a livello locale dei risultati di prove

penetrometriche statiche con risultati di altre

prove specifiche (in situ e/o in laboratorio).

Quindi è necessaria in ogni caso a parere

dello scrivente, una taratura delle CPT con

prove specifiche (ad esempio edometria per la

compressibilità, prova di carico su piastra per i

moduli, ecc) in qualche caso diffidando da

correlazioni troppo spinte.

Infatti troppo spesso i calcoli geotecnici sono

fatti in base ai risultati delle sole prove

penetrometriche statiche (dove la natura dei

terreni lo permette), molte volte non tenendo

conto dell’intrinseca imprecisione dello

strumento di misura.

Ad esempio, trascurando le imprecisioni di

misura derivanti dagli attriti fra le aste interne

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ed esterne) basti pensare che lo strumento di

misura più comunemente impiegato è il

manometro (o più manometri).

Il rilievo delle resistenze viene fatto

dall’operatore in un tempo molto breve.

L’operatore in pratica deve rilevare il valore

desumendolo durante il movimento della

lancetta del manometro durante i pochi

centimetri di infissione (4 cm).

Anche in caso di manometro perfettamente

tarato la scala del quadrante è tale che i valori

bassi (da 1 a 10 kg/cmq) sono a malapena

avvertibili dal movimento della lancetta sul

quadrante.

Quindi l’imprecisione sui valori bassi,

importantissimi dal punto di vista geotecnico, è

purtroppo molto alta.

Una errata valutazione (in apparenza

trascurabile) anche di solo 1 kg/cmq nella

resistenza di punta, può portare a

cambiamenti non trascurabili nel progetto di

fondazioni, nella valutazione della stratigrafia,

della permeabilità, compressibilità, ecc.; quindi

(sempre a parere dello scrivente) le prove

penetrometriche statiche con punta meccanica

CPT dovrebbero essere considerate

prevalentemente “qualitative”, riservando il

rilevo di parametri utili per la progettazione a

prove più precise (ad es.CPTE e CPTU) o

prove specifiche (prove in situ o prove di

laboratorio).

Tale opinione è confortata dal fatto che l’Italia

resta uno dei pochissimi paesi al mondo (forse

l’unico) dove la stragrande maggioranza delle

prove penetrometriche viene eseguita con

punta meccanica e dove ancora si producono

sistemi CPT.

3.2 CPTE e CPTU: prova penetrometrica

statica con punta elettrica e piezocono

La prova con punta elettrica (CPTE) o con

piezocono (CPTU) è l'evoluzione della prova

penetrometrica statica con punta meccanica

(CPT).

I valori di resistenza del terreno non vengono

più rilevati con un sistema di aste scorrevoli

che trasmettono i carichi (di rottura del

terreno) ad un manometro (o cella di carico) di

superficie, bensì con degli estensimetri posti

direttamente all'interno della punta.

Questi estensimetri, con deformazioni meno

che millimetriche dei componenti della punta

(cono e manicotto), producono dei segnali

elettrici proporzionali alle variazioni di carico e

quindi alle componenti di resistenza del

terreno.

I segnali elettrici (analogici) vengono

digitalizzati con convertitori direttamente posti

all'interno della punta (nel caso ormai più

frequente di “digital cone”) e vengono

memorizzati in un circuito interno.

I segnali digitalizzati possono essere inviati

direttamente in superficie dove è presente

(oltre al circuito di sincronizzazione della

profondità) una apposita “centralina” con

funzioni di memorizzazione, stampante,

salvataggio dati su dischetto ed eventuale

trasmissione a PC.

I vantaggi rispetto alla prova statica con punta

meccanica CPT sono in sintesi:

• Precisione e linearità della lettura:

normalmente la CPTU relativamente alla

resistenza di punta ha un fondo scala di

12

0.01 Mpa (invece di 0.1 Mpa della punta

meccanica) a parità di fondo scala (f.s.50

Mpa). Amplificando il segnale e riducendo

il fondo scala è possibile arrivare ad un

valore minimo rilevabile di 0.001 Mpa

(f.s.20 Mpa). L'aumento di sensibilità è

indispensabile nel rilievo dei valori di

resistenza di materiali molto soffici

(sedimenti di fondo dei canali o rii, torbe,

sabbie o limi molto sciolti, ecc.). La

linearità è una caratteristica molto

importante in quanto garantisce che i valori

letti siano quelli reali in tutto il "range" di

misura dello strumento. La linearità nella

strumentazione impiegata (CPTU) è

garantita dall'elettronica, mentre nella

prova meccanica sono probabili starature

nei valori estremi (in particolare i valori

bassi, di fondamentale importanza

geotecnica)

• Rilievo dei valori ogni 2 cm (o meno)

invece dei 20 cm della prova CPT

• Piezocono CPTU: Rilievo dei valori di

sovrapressione U durante l'infissione.

L'infissione della punta, in caso di terreno

saturo, produce una variazione della

pressione neutrale (U) inversamente

proporzionale alla permeabilità.

Nel piezocono ciò significa che se la punta

durante l’avanzamento incontra uno strato di

argilla, la U (ovvero la variazione di pressione

neutra durante l’infissione) assume valori

e levat i , generalmente inversamente

proporzionali alla permeabilità K del materiale

attraversato. La figura seguente (meglio

evidenziata in allegato) mostra una prova

eseguita in terreni prevalentemente argillosi. Il

piezocono rileva la pressione neutra

sviluppata dall ’ inf issione tramite un

pressostato, il quale è separato dall’ambiente

esterno mediante il cosiddetto “filtro”

Quando la punta incontra uno strato di

sabbia, dopo poco la U si dispone su una linea

che approssima l’idrostatica. A tale proposito,

nella elaborazione delle prove CPTU, si

prende come U di riferimento una linea

idrostatica che parte dal livello della prima

falda freatica e prosegue linearmente; tale

assunto può non essere vero qualora le falde

incontrate abbiano una pressione neutrale a

riposo differente da quella idrostatica (ad

es.falde confinate, artesiane o in

sottopressione). La prova evidenziata nella

13

figura seguente è eseguita in un terreno

prevalentemente sabbioso. Il confronto fra i

due grafici evidenzia le seguenti peculiarità

che permettono una efficace interpretazione

stratigrafica:

-in argilla la resistenza di punta è bassa

(comunemente minore di 1 Mpa) e la

resistenza laterale è relativamente alta, il che

incrementa il valore del rapporto FR, che

quindi aumenta passando da terreni sabbiosi a

terreni argillosi.

-in sabbia la resistenza di punta è alta e quella

laterale è bassa; il rapporto FR è basso.

-la U in sabbia si dispone all’incirca secondo

l’idrostatica, in argilla è notevolmente più

elevata.

Il rilievo della U in fase di avanzamento

permette quindi di ottenere una classificazione

del terreno molto più accurata rispetto ad altre

prove. Dato che il valore della U dipende

anche dalle caratteristiche di consolidazione

del terreno, in termini di storia tensionale, il

confronto fra diversi parametri o combinazioni

dei tre parametri rilevati (Qc,Fs,U) permette

anche una classificazione del terreno in

questo senso. Il primo grafico riportato di

seguito è una proposta di classificazione per

prove con punta elettrica in base ai soli Qc e

Fs. Dato che il rilievo di U permette (nel

piezocono) una “correzione” dei valori di

resistenza di punta (depurati cioè dall’effetto

della presenza di acqua nel terreno durante la

penetrazione), si perviene ad un grafico

similare a quello di cui sopra ma corretto per le

prove CPTU, introducendo una resistenza di

punta “corretta” Qt. Il terzo grafico mostra una

classificazione del terreno in base a prove

CPTU impiegando il rapporto Bq=ΔU/(σT-σ1vo)

(riferito quindi alla U)

14

Il filtro, utilizzato nell’esecuzione di una CPTU

può essere di metallo sinterizzato (una

particolare tecnica di realizzazione di filtri in

metallo) o può essere semplicemente una

apertura (fessura) che connette la parete

esterna della punta con la camera di misura

del pressostato.

Il filtro deve essere saturato prima di ogni

prova CPTU; nei primi piezoconi la

saturazione avveniva con acqua disareata;

ultimamente si impiega olio di silicone o

grasso speciale (nei filtro a fessura).

Ciò permette l’impiego del piezocono anche in

tratti non saturi senza per questo perdere la

saturazione e senza l’impiego di artifici per

non perdere la saturazione se fatta con acqua.

Una cattiva saturazione è visibile dalla forma

dei grafici CPTU e dalla forma della curva di

dissipazione.

3.3 PROVA DI DISSIPAZIONE DELLA

PRESSIONE NEUTRA DURANTE LE PROVE

CPTU

Interrompendo l'infissione in strati argillosi e

graficando l'andamento della sovrapressione

in funzione del tempo si ottiene la cosiddetta

"curva di dissipazione" della pressione neutra.

Si ottengono due tipi di grafico, il primo della

variazione della U in funzione del tempo, il

secondo del la variazione del la U

“normalizzata” sempre in funzione del tempo.

La U normalizzata è una grandezza

adimensionale; la graficazione in tale forma è

utile per poter confrontare diverse prove di

dissipazione e per poter calcolare dei

parametri molto utili, ad es. il T50= tempo per il

raggiungimento del 50% della completa

dissipazione.

15

Alcuni autori correlano il T50 direttamente alla

permeabilità orizzontale Kh del terreno, come

evidenziato nel grafico successivo.

Indipendentemente dalla teoria sulla quale si

basa l’analisi del coefficiente di permeabilità

con le prove di dissipazione, debbono essere

fatte queste osservazioni:

-il coefficiente K è generalmente proporzionale

al tempo di dissipazione (più è alto il tempo di

dissipazione e più il terreno è impermeabile); il

parametro maggiormente impiegato in questo

rilievo è il T50.

-in alcuni casi durante le prove di dissipazione

della U si ha un incremento di U durante la

prima fase della prova. Quando tale

incremento non sia imputabile a scarsa

saturazione del filtro è dimostrabile che il

tempo di incremento della U dal momento di

interruzione dell’infissione al momento della

effettiva “dissipazione” (nel senso di decrescita

di U) è in qualche modo proporzionale al

grado di sovraconsolidazione del terreno e

quindi alla “storia tensionale” del terreno

stesso.

-dall’esame della forma della curva di

dissipazione è possibile calcolare coefficienti

di compressibilità del terreno.

-a tempo infinito la curva di dissipazione tende

al valore dell’idrostatica in quel particolare

strato

-in sabbie o in generale in terreni permeabili la

curva di dissipazione è difficilmente da

considerarsi affidabile, se non per il valore di

equilibrio che esprime il valore dell’idrostatica

in quello strato in quel particolare istante;

infatti a pressione stabilizzata il valore rilevato

rappresenta la pressione neutrale in quel

particolare strato; in pratica con le prove

CPTU è possibile rilevare la "situazione

idraulica" del sottosuolo in termini di pressioni

negli strati permeabili.

4 punte penetrometriche speciali

Appartengono a questa categoria tutte quelle

punte con sensori differenti o aggiuntivi

rispetto a quelli standard. Le realizzazioni più

significative sono: piezocono sismico e punte

ambiente (environmental cones)

16

4.1 PIEZOCONO SISMICO

-piezocono sismico “S-CPTU” : E’ impiegato

per il rilievo della velocità delle onde di taglio

del terreno (shear wave velocity). In aggiunta

al piezocono (come precedentemente

descritto) il sismo-cono consiste in:

• Dispositivo di energizzazione: in superficie

la sorgente di onde consiste in un martello

energizzatore strumentato, fissato a lato di

un supporto che deve essere

assolutamente solidale al terreno per

permetter una efficace trasmissione

dell’energia in profondità.

• Sopra il piezocono standard sono montati

due Geofoni

• I geofoni e l’energizzatore sono collegati a

un oscilloscopio digitale.

2. Durante la pausa nella penetrazione del

piezocono necessaria ad es.per

l’avvitamento di un’asta, il martello

energizzatore viene messo in funzione e

viene rilevato dall’oscilloscopio il tempo di

risposta del geofono. La velocità delle

onde d i tag l io v iene qu ind i

automaticamente calcolata conoscendo

l’incremento di distanza e l’incremento di

tempo.

4.2 PUNTE AMBIENTE (environmental cones)

-punte ambiente (environmental cones): in

questa categoria ricadono tutte quelle punte

che, in aggiunta o in alternativa ai rilievi di Qc,

Fs, U, permettono il rilievo diretto di parametri

chimici del terreno, o di parametri correlabili

alla presenza di inquinanti. Nel primo caso le

punte ambientali con rilievo dei parametri

direttamente in punta tramite una sonda

multiparametrica montata sopra il piezocono,

dotata di sensori

Si tratta quindi essenzialmente di una punta

penetrometrica CPTU strumentata con

sensori aggiuntivi che permettono di rilevare

pH, Redox, conducibilità, temperatura,

Ossigeno disciolto negli strati dove il

piezocono rileva una maggior permeabilità

(sabbie, limi). I valori vengono acquisiti e

memorizzati in tempo reale con il medesimo

sistema usato per le prove con piezocono.

La procedura di prova è la seguente:

• Infissione del sistema (CPTU+PA)

• Rilievo in tempo reale e contemporanea

memorizzazione e graficazione dei

seguenti valori: Qc(res.di punta), Fs

(res.laterale), U (variazione di pressione

interstiziale dovuta alla penetrazione)

deviazione della punta rispetto alla

vert icale (r i levata mediante due

inclinometri).

• Quando il piezocono (in posizione

avanzata di circa 70 cm rispetto alla

camera di prova della punta ambiente)

rileva uno strato argilloso (definito da valori

bassi di Qc, relativamente alti di Fs e

valori elevati di U) è possibile interrompere

l'infissione ed eseguire la cosiddetta

"prova di dissipazione" della pressione U.

L'andamento nel tempo della variazione di

pressione U è un indice importante per il

calcolo di alcuni parametri geotecnici quali:

permeabilità, coefficiente di consolidazione

17

(dà un indice sulla velocità di evoluzione

dei cediment i ) , coef f ic iente d i

compressibilità volumetrica (dà un indice

del'entità dei cedimenti), rapporto di

sovraconsolidazione delle argille (OCR),

ecc. Nel caso di prova di dissipazione in

argilla si presume che il riempimento della

camera di prova nella punta ambiente sia

relativamente lento e quindi i parametri

chimici misurati siano scarsamente

rappresentativi del chimismo dell'acqua in

tale strato. Viceversa, la prova di

dissipazione costituisce un elemento

fondamentale per valutare in tempo reale

la permeabilità (o impermeabilità) di strati

di separazione argillose fra due falde (i

cosiddetti "aquitardi").

• Quando il piezocono rileva uno strato

sabbioso (valori elevati di Qc,

relativamente bassi di Fs, e valori di U che

approssimano la idrostatica, comunque

bassi) è necessario fare avanzare la

camera di prova della punta ambiente di

70 cm in corrispondenza del livello da

testare. Viene tolta la pressione d’aria alla

camera di prova della PA permettendone il

riempimento. Quando la camera di prova è

satura un apposito sensore lo segnala e si

può dare corso alla memorizzazione,

visualizzazione e stampa dei segnali

trasmessi dai sensori chimici (pH,

potenz ia le redox, conduc ib i l i tà ,

temperatura, Ossigeno disciolto). Nel

contempo vengono memorizzati anche i

segnali CPTU e quindi il pressostato dà un

valore piuttosto esatto del livello

piezometrico in quel punto, permettendo di

avere una "fotografia" della situazione

idraulica (piezometrica) in quel momento

nelle varie falde. Il sensore di temperatura

è stato inserito soprattutto per monitorare

quelle situazioni (ad es. torbe o terreni

frammisti a liquami) in cui l'inquinamento

provoca un aumento termico sensibile.

Riassumendo quindi, l 'esecuzione in

contemporanea di CPTU+PA permette di

ricavare in tempo reale:

• Profilo stratigrafico di dettaglio (ogni 2 cm)

• Caratteristiche di resistenza dei terreni

(almeno coesione non drenata e angolo di

attrito e densità relativa)

• Profilo di permeabilità dei terreni

attraversati (con prove di dissipazione

negli strati coesivi o semicoesivi)

• Profilo "idraulico" e piezometrico relativo a

tutti gli strati permeabili ("falda") nell'ambito

della profondità indagata e in tempo reale

• Profilo "chimico" relativamente ai parametri

pH, redOx, conducibilità, Temperatura.

• Va lu taz ione d i mass ima de l le

caratter ist iche di compressibi l i tà,

permeabilità, consolidazione dei terreni

coesivi.

• Un campione indisturbato di fluido per ogni

verticale

Un altro sistema simile è quello della ditta

olandese Van der Berg (envirocone ®) il quale

ha la capacità di misurare (oltre alle grandezze

CPTU):

• PH

• Potenziale redox

• temperatura

Un differente tipo di cono ambientale è il FFD

(Fluor Fluorescence detector). La fluorescenza

18

o fluorometria è lo studio della emissione di

UV, o luce visibile, da parte di un composto.

Quasi tutti i composti chimici assorbono UV o

luce visibile ma solo pochi di essi sono

fluorescenti. Tra questi ci sono i composti che

contengono anelli aromatici (v. idrocarburi e

loro derivati).

La prova è eseguita con penetrometro statico

consiste nell'infliggere nel terreno una

particolare punta strumentata con trasduttori,

che permettono di misurare con continuità

(ogni 2 cm) la Fluorescenza (espressa in mV).

Successive elaborazioni permettono la

restituzione in forma grafica e numerica della

misure di campagna. Nel caso specifico (FFD,

brevetto della americana Applied Research

Associated l.t.d.) la sorgente emittente è

costituita da una lampada a bulbo di mercurio

vicino ad un filtro ed a una finestra di zaffiro. Il

filtro ottico seleziona la lunghezza d'onda da

far diffrangere alla finestra di zaffiro ( I=254

nm). La fluorescenza viene poi trasmessa in

superficie attraverso un conduttore a fibre

ottiche. Un modulo di controllo trasforma il

segnale fluorescente in segnale elettrico di

tensione, correlato direttamente alla

fluorescenza nel campo di lunghezze d'onda

comprese tra 290 e 540 nm.

R-CPTU (cono con misura di resistività). Le

grandezze misurate sono, oltre alle classiche

CPTU:

• resistività R (ohm/m)

• contenuto di acqua (%)

• conducibilità ionica (mS/m)

Successive elaborazioni permettono la

restituzione in forma grafica e numerica delle

misure di campagna. Tali prove sembrano

essere indicate nel caso in cui, oltre ai normali

parametri di resistenza e deformazione del

terreno, sono da ricercarsi delle variazioni

del le carat ter ist iche f is ico-chimiche

conseguenti a elementi inquinanti o salinità.

Infatti la loro presenza modificherebbe le

caratteristiche di resistività del terreno (rispetto

a quella naturale) e quindi la misura di tale

parametro permetterebbe di valutare la

presenza di contaminante. Il metodo non

permette di riconoscere il tipo di inquinante

(salvo casi particolari), ma individua delle

condizioni anomale rispetto allo stato di suolo

pulito.

19

Infatti la conducibilità elettrica di un suolo

dipende da numerosi fattori quali la sua

struttura, i l contenuto d'acqua , la

composizione mineralogica e da una serie di

processi chimico, fisici e biologici che in esso

avvengono.

CONDUCTIVITY CONE (cono con misura

della conducibilità):

qualche anno fa il cono con misura continua

della conducibilità è stato sviluppato dalla ditta

olandese A.P.van der Berg per misurare la

densità degli strati sabbiosi; dopo la

sperimentazione si è visto che la condicibilità

dipende sia dalla densità del mezzo che dalla

condittività dell’acqua di saturazione; ciò

implica che le misure possono essere prese

principalmente in acque di falda e in suoli

saturi nei quali si ha uno scambio ionico.

Quindi il conductivity cone misura una

variazione della conducibilità che è riferita sia

alla variazione stratigrafica sia ad una

alterazione dei parametri chimici dell’acqua.

Quindi un corretto impiego di questo cono

presuppone almeno una completa definizione

della stratigrafia (e relativi parametri che

influenzano la conducibilità come la densità

degli strati sabbiosi) in modo da conoscere la

conducibilità della sola acqua di saturazione,

la quale è proporzionale ad un certo dipo di

inquinamento.

Va detto che l’uso di tutte le punte speciali

precedentemente elencate è estremamente

limitato e ancora in fase sperimentale, non

essendo stata ancora definita una normativa e

quindi una metodologia d’ impiego

standardizzata, come pure i risultati ottenibili

non sono ancora stati verificati completamente

e in tutte le condizioni d’uso.

Anzi, per alcune punte speciali, i risultati

promessi hanno disatteso in parte le

aspettative.

Quindi per ora le indagini “ambientali”

propriamente dette limitano l’uso dei metodi

penetrometrici statici solamente all’esecuzione

di prove CPT o CPTU per una valutazione

economica e rapida della stratigrafia, seguite

da sondaggi a carotaggio continuo con

prelievo ed esame di campioni.

5 sistema GEON (ex BAT)

Il nome BAT è un acronimo che deriva dalle

iniziali dell’Inventore, lo Svedese Torstensson.

Da poche settimane, in coincidenza al

decadere dei diritti di brevetto di tale sistema,

la Ditta Produttrice (GEONORDIC, Svezia) ne

ha cambiato il nome in sistema GEON, a cui si

farà riferimento in seguito. Consiste

essenzialmente in un sistema integrato di

campionamento di gas/fluidi sotterranei e di

permeametro.

Sostanzialmente con il GEON è possibile

intervenire nei seguenti modi :

5.1 calcolo della permeabilità

Il GEON può essere impiegato sia nei fori di

sondaggio sia spinto con il penetrometro

(come una normale punta) per il calcolo della

20

permeabilità in maniera molto più precisa di

altri metodi e soprattutto in tempo reale.

Praticamente la prova consiste nel calare

entro la batteria di aste infisse nel terreno (con

la punta-filtro all’estremità inferiore) una

fialetta in cui è stato creato il vuoto collegata

ad un misuratore di pressione (pressostato) .

La fialetta viene calata con un cavo che

connette il pressostato con un microcomputer

e data-logger adeguatamente programmato. In

terreni saturi il calcolo del coefficiente di

permeabilità viene eseguito misurando la

variazione di pressione all’interno della fialetta

in funzione del tempo fino a stabilizzazione. La

fialetta sotto vuoto è messa in comunicazione

con la punta-filtro (cella piezometrica) tramite

un sistema di doppio ago ipodermico; si ha

quindi la certezza che la connessione (e quindi

le misure) è stabil i ta al momento

dell’immissione della fialetta+pressostato entro

le aste e in corrispondenza della punta-filtro. Il

microcomputer (data logger) è programmato

in modo da visualizzare il calcolo del

coefficiente di permeabilità K per ogni

intervallo di tempo oppure medio; i dati sono

scaricabili in un PC. In una verticale

penetrometrica la scansione delle misure può

essere anche decimetrica e quindi si può

avere una mappa delle permeabilità del

terreno in tempo reale.

La formula impiegata per il calcolo in tempo

reale di K e implementata nel data logger è la

seguente:

dove:K=permeabilità (cm/s)g=accelerazione di gravità [m/s^2]

r=densità dell'acqua [kg/m^3]Po=pressione assoluta iniziale del gas nel sistema [kPa]Vo=volume iniziale del gas nel sistema [m^3]F=fattore di flusso che dipende dalla geometria [m]Pt=pressione assoluta del gas all'istante t [kPa]Uo=pressione interstiziale iniziale assoluta [kPa]ht=altezza della colonna d'acqua sopra il filtro al tempo t[m]

L’alternativa a questo metodo è quella di

eseguire prove di permeabilità in situ (tipo

Lefranc o prove di pompaggio) o in laboratorio

che sono più costose e relativamente

inattendibili (risentono del disturbo arrecato

21

dalla perforazione e dal campionamento);

inoltre queste prove non vengono spesso

eseguite in numero statisticamente valido,

dato il costo e soprattutto i tempi di

esecuzione (in laboratorio).

Il calcolo di K può essere eseguito anche in

terreni non saturi, mediante pressurizzazione

dell’acqua dentro la fialetta e graduale rilascio

una volta stabilita la connessione con la punta-

filtro. Il sistema può essere impiegato anche

dentro i fori di sondaggio, oltre che essere

impiegato con i l penetrometro (più

economico). Con una serie di verticali si può

comporre una “mappa” delle permeabilità e

quindi avere una sorta di mappa di rischio-

contaminazione, in tempi brevissimi e con

costi estremamente più ridotti rispetto ad altri

sistemi.

Una pesante limitazione di tale sistema

nell’ambito di un uso come permeametro

risiede nel fatto che la “resistenza idraulica”

dell’intero sistema composto da: filtro e doppio

ago ipodermico è tale da non poter valutare

permeabilità più alte di circa 10-4 cm/s, il che

limita l’uso del permeametro GEON al

massimo al range di permeabilità che va dalle

bentoniti (materiale quasi impermeabile) ai limi

sabbiosi/argillosi. In una sabbia “pulita” (che

abbia una permeabilità dell’ordine di 10-2 – 10-

3 cm/s) non è possibile rilevarne la

permeabilità.

Per ovviare a tale inconveniente è allo studio

una modifica del sistema (ad es. impiegando

un doppio ago ipodermico di sezione

maggiore) tale per cui possa aumentare il

“range” della permeabilità misurabile.

Un'altra modifica allo studio è quella di

sostituire il doppio ago ipodermico con una

valvola che semplicemente metta in

comunicazione la parte filtrante con il

contenitore sotto vuoto; una modifica di questo

genere è stata adottata nel DGP (deep gas

sampler), una sorta di sistema BAT modificato

impiegato da NGI (Norwegian Geotechnical

Institute) per lo studio di aquiferi/falde

profonde.

5.2 campionamento di acqua e di gas (water-

gas-sampling)

E’ analogo a quanto descritto sopra, con la

differenza che alla fialetta non è connesso un

pressostato e quindi viene semplicemente

riempita per differenza di pressione. In questo

caso l’installazione del piezometro è “fissa” per

il monitoraggio di una particolare falda; può

essere impiegato indifferentemente per

campionamento di fluidi, di gas, di inquinanti

particolari, dato che non vi sono collegamenti

elettrici. E’ considerato il metodo più affidabile

per ottenere campioni di fluidi dal sottosuolo.

Infatti rispetto ai sistemi tradizionali offre i

seguenti vantaggi :

- Non vi è contatto diretto con il campione

durante le operazioni di campagna

- Non vi è rischio di contaminazione fra

differenti aquiferi (cross-contamination)

- La probabilità di ossidazione del campione

nella fase di evacuazione del campionatore è

molto ridotta rispetto a sistemi tradizionali

- Il gas disciolto può essere analizzato

separatamente

22

- In caso di installazioni fisse il prelievo dei

campioni di acqua o gas avviene sono in

corrispondenza del livello in corrispondenza

del quale sono posizionate le celle

piezometriche

Le celle piezometriche sono comunemente

disponibili nei diametri corrispondenti ad un

volume di campionamento di 35, 150,500 ml .

Da sinistra: parte superiore del contenitore

porta-provetta, di peso tale da permettere

l’infissione del doppio ago ipodermico dentro i

due dischi di gomma, provetta, corpo del

contenitore, porta ago e filtro (in centro in

basso).

6 ESEMPI PRATICI DI APPLICAZIONE DEL

SISTEMA GEON

• Calcolo di permeabilità del terreno

costituente gli argini :

L’indagine può essere così strutturata:

• Esecuzione di prove penetrometriche

statiche con piezocono (CPTU) e sondaggi

a carotaggio continuo con prelievo ed

esame di campioni ; le prove

penetrometriche con piezocono (anziché

con punta meccanica) consentono di

valutare (in condizioni ottimali di

saturazione del filtro) il valore della

pressione dei por i U durante

l’avanzamento e dopo l’arresto della punta

negli strati interessanti. La misura della U

consente fra l’altro di definire le condizioni

iniziali di pressione a cui fare riferimento

per l’uso del permeametro GEON. La

misura della dissipazione della U negli

strati argillosi fornisce, se debitamente

intepretata, dei parametri utili per il calcolo

della permeabilità e di compressibilità,

nonché informazioni sul grado di

consolidazione delle argille stesse .Negli

strati sabbiosi l’arresto della punta

permette, già dopo pochi minuti, di rilevare

con sufficiente precisione la pressione

23

interstiziale in quello strato.Lo svantaggio

delle prove CPTU in terreni dove la

saturazione avviene a diversi metri dal

piano campagna (sommità arginale in

questo caso) e/o generalmente in terreni di

riporto (non sedimentati naturalmente)

risiede nel fatto che il filtro del piezocono

può dissaturarsi durante la penetrazione

nello strato non saturo. E’ quindi preferibile

l’impiego di piezoconi con un filtro

particolare, meno soggetto al rischio di

dissaturazione (ad es. con filtro “a

fessura” saturata di grasso-slot filter-

anziché il “classico” filtro in metallo

sinterizzato) e/o approfondire il preforo

saturato d’acqua per minimizzare il rischio.

In ogni caso i risultati della prova CPTU

non servono (almeno direttamente o con

una certa facilità di interpretazione) al

calcolo della permeabilità in strati non-

saturi o in quelli dove il valore della U è

basso. L’esecuzione di sondaggi a

carotaggio continuo serve essenzialmente

per una taratura stratigrafica e per il

prelievo di campioni per le analisi di

laboratorio di routine (classificazioni,

edometr ie, t r iassial i , prove con

permeametro di laboratorio, ecc). Nel foro

di sondaggio possono essere eseguite

prove di permeabilità tipo “Lefranc”, a

carico costante e/o variabile. L’attendibilità

di questo tipo di prova è spesso scarsa

dato che è difficile creare le condizioni

ottimali di prova nel fondo del foro. Inoltre

vi è da considerare che il costo ed il tempo

necessario per l’esecuzione di tale prova

(se correttamente eseguita) è tale che il

numero richiesto è limitato e quindi non

significativo.

6.2 Esecuzione di prove con permeametro

GEON; la procedura può essere così

schematizzata (a grandi linee):

• inf iss ione di una cel la GEON

appositamente predisposta (non del tipo

per installazione fissa) con aste tipo

penetrometro o altre aste adatte a

sopportare la spinta complessiva.

• Alla profondià di prova si immette entro le

aste il permeametro (fialetta pressurizzata

o depressurizzata a seconda che ci si trovi

sopra o sotto il livello di saturazione del

terreno) connesso al microcomputer e si

esegue la prova di permeabilità, con rilievo

diret to del coef f ic iente K e/o

memorizzazione dei vari intervalli ΔP÷t

(var iazione di pressione÷tempo).

Normalmente il tempo di tale procedura,

per terreni poco permeabili è al massimo

di 45 minuti÷1 ora

• Approfondimento della batteria di aste

mediante penetrometro ed esecuzione di

un nuovo test.

• Si ottiene alla fine un grafico con una

determinaz ione puntua le de l la

permeabilità negli orizzonti stratigrafici di

maggior interesse, con cui integrare i dati

penetrometrici ed eventualmente di altre

prove in situ o di laboratorio.

6.3 Determinazione della permeabilità di un

diaframma “plastico” :

L’indagine può essere così strutturata:

• Esecuzione di sondaggi a carotaggio

continuo con carotiere/campionatore

24

opportunamente modificato per il prelievo

di carote di bentonite granulare; si tratta di

un carotiere a tripla parete a recupero

wireline opportunamente modificato per

tale scopo; l’impiego di tale attrezzatura

consiste nella perforazione con una

batteria di aste al cui interno si posiziona il

carotiere, il quale a sua volta viene

recuperato con un cavo (da qui il nome

wire-line). Con tale sistema il foro è così

sempre rivestito e la parte terminale del

carotiere può essere adattata di volta in

volta alle varie condizioni di plasticità e

compattezza della bentonite, anche con

manovre molto brevi (qualche decimetro).

• Entro il foro di sondaggio (sempre rivestito)

può essre immessa una batteria di aste di

diametro minore, alla cui estremità è

situata la cella BAT. La cella può essere

infissa con una modesta spinta (ad es.con

la testa di rotazione della sonda) a fondo

foro nel terreno a profondità maggiore di

quella raggiunta dalla manovra di

carotaggio precedente di qualche

decimetro.

• A questo punto può essere eseguita la

prova di permeabilità con modalità

i den t i che a que l l e desc r i t t e

precedentemente (punto2), con modalità

differenti a seconda delle condizioni di

plasticità, saturazione e presunta

permeabilità del diaframma.

• Alternativamente possono essere quindi

prelevati campioni di bentonite ed eseguite

prove di permeabilità in situ. L’impiego di

un penetrometro per l’infissione diretta di

una cella GEON è non consigliabile in un

diaframma plastico, dato che non si ha

modo di verificare che la prova sia

eseguita in corrispondenza della bentonite,

a causa della possibile deviazione delle

aste o del diaframma stesso o di entrambi,

mentre con il carotaggio si ha modo di

verificare costantemente il tipo di materiale

su cui viene eseguita la prova di

permeabilità.

6.4 Verifica nel tempo della permeabilità di un

diaframma “plastico” :

Durante la realizzazione di un diaframma

plastico (ovvero durante la fase di posa della

bentonite granulare) possono essere poste in

opera a differenti profondità delle celle GEON

adatte per installazioni fisse, collegate alla

superficie con tubi in PVC.

Si ha modo così di monitorare la variazione

del coefficiente di permeabilità col tempo, al

variare delle condizioni della bentonite.

7 INDAGINI CON TECNOLOGIA “DIRECT

PUSH”

In campo ambientale, negli Stati Uniti

principalmente e secondariamente (dati i costi)

in Europa si sta diffondendo la tecnologia

cosiddetta “direct push”, di cui l’azienda leader

di mercato è l’americana GEOPROBE.

Si tratta essenzialmente di una perforatrice

speciale di piccole dimensioni, progettata

specificatamente per le indagini ambientali che

può operare allo stesso tempo a percussione

e a spinta, con limitate possibilità di rotazione.

Foto del geoprobe sono mostrate di seguito:

25

Il termine “direct push” si riferisce ad attrezzi

(carotieri, campionatori) e sensori che sono

“spinti” nel terreno senza l’uso di rotazione per

rimuovere il suolo o per permettere

l’avanzamento dell’attrezzo.

Le possibilità operative sono le seguenti:

• Spingere nel terreno dei “carotieri” per

ottenere carote di terreno

• Spingere nel terreno campionatori per

ottenere campioni indisturbati ( in senso

chimico) di terreno e/o fluidi

• Instal lare impianti permanenti di

monitoraggio di acqua o gas (piccoli pozzi

di monitoraggio)

• Installare impianti di ventilazione o altro

(ad es. bio-remediation)

Alcune foto e schemi costruttivi di attrezzi

impiegabili con il Geoprobe sono visualizzati di

seguito:

campionamento di gas

26

campionatore per terreni con “liner”

assemblaggio del campionatore con “liner”

schema della punta speciale con sensore per

la conducibilità e campionatore “osmotico” di

gas

foto del computer e punta speciale per il rilievo

della conducibilità.

Come menzionato prima la tecnologia “direct

push” ha scarsa diffusione in Europa e

specialmente in Italia, dati i costi generalmente

elevati e la relativamente limitata potenzialità

dello strumento.

27

Infatti la ditta costruttrice indica un “range” di

applicazione variabile al massimo fra 9 e 18 m

a seconda del tipo di terreno.

Si menziona anche che tale profondità sta

aumentando in relazione al continuo

miglioramento dello strumento; in alcuni casi,

in presenza di condizioni favorevoli, sono stati

raggiunti i 30 m di profondità.

Altri strumenti che possono essere ascritti alla

categoria “direct push” possono essere:

• campionatori di terreno che non

richiedono una perforazione a rotazione,

ma sono spinti ad esempio da un

penetrometro stat ico (ad es. i

campionatori MOSTAP di Van der Berg)

• campionatori di fluido interstiziale sempre

spinti con penetrometro statico (ad es.

GEON o WASTAP di van der Berg, sia

pure con principi di funzionamento

differenti)

8 CONCLUSIONI

Data la vastità dell’argomento non è stato

possibile dare una esauriente descrizione di

tutti i metodi di indagine geognostica ed

ambientale presenti nel mercato.

Sono stati fatti solo cenni sull’impiego di certe

attrezzature e sulla loro funzione senza

scendere in dettaglio né sulla operatività né

sulla validità dei risultati.

Si è cercato comunque di dare una

panoramica generale, menzionando sia le

metodologie più comuni che quelle più

avanzate e promettenti.

Il presente documento può però costituire per

gli operatori del settore un punto di inizio per

un tentativo di discussione sulle metodologie

di indagine e sulla validità dei risultati ottenuti

in relazione ai problemi da trattare.

BIBLIOGRAFIA e REFERENZE

1) F..Cestari Prove geotecniche in sito (90)

2) T.Lunne, P.K.Robertson, J. Powell: Cone

penetration test in geotechnical practice (97)

3) Atti delle conferenze di geotecnica di

Torino XVIII ciclo 20-21-22 novembre 2001,

Torino

4) Atti del XX convegno nazionale di

Geotecnica –Parma 22-25 settembre 1999:

Sviluppi nell’esecuzione e nell’impiego delle

indagini geotecniche

5) siti web dove è possibile reperire

informazioni su quanto esposto nel presente

atto

www.apvdberg.nl

www.geonordic.sewww.envi.se

www.ara.comwww.geoprobe.com

www.spgeo.it