La prova penetrometrica meccanica con punta conica viene eseguita infiggendo nel terreno, con penetrazione costante (20 mm/s), una punta meccanica (tipo Begemann), con l’ausilio di una batteria di aste di spinta. Durante la prova, sarà possibile effettuare misurazioni discontinue (ogni 20 cm) della resistenza alla penetrazione della punta conica o resistenza alla punta (qc), della resistenza totale alla penetrazione e/o dell’attrito sul manicotto (fs). Le misurazioni vengono effettuate mediante l’utilizzo di sensori ubicati a livello del suolo. Esistono altri tipi di punte meccaniche, il cui utilizzo è nella pratica molto limitato, che misurano solamente la resistenza alla penetrazione del cono.
L’estremità anteriore consiste in una punta conica con angolo di apertura del cono di 60º con un piccolo labbro di circa 5 mm (0.2 in.) di lunghezza nella porzione superiore. Le punte penetrometriche disponibili hanno normalmente due dimensioni standard: (1) una versione di diametro 35.7-mm (1.4-in.) con area della sezione trasversale Ac = 10 cm2 e superficie laterale del manicotto As = 150 cm2; (2) una versione di diametro 44-mm (1.75-in.) (Ac = 15 cm2 e As = da 200 a 300 cm2) (Fig.1 e 2).
Benché la dimensione 10 cm2 sia quella standard originale, molte ditte ritengono che la versione 15 cm2 sia più indicata per l’indagine di routine e possa essere equipaggiata più facilmente con sensori aggiuntivi per necessità specifiche. Poiché il diametro delle aste è normalmente di 35.7 mm (1.4 in.), anche la punta di dimensione 15 cm2 tende a praticare un foro più ampio, riducendo dunque l’attrito laterale dell’asta durante la spinta.
Tra le prove penetrometriche effettuate con punta elettrica e con piezocono, possiamo considerare tre sottocategorie di prove penetrometriche (Fig.3):
- prova penetrometrica con punta elettrica (CPTe), che comporta una misurazione continua (ogni 2 cm di infissione) della resistenza alla punta, dell’attrito laterale e dell’inclinazione;
- prova effettuata mediante piezocono (CPTu), che consiste in una prova penetrometrica con punta conica con misurazione aggiuntiva (rispetto alla punta elettrica) della pressione interstiziale;
- prova con piezocono sismico (SCPTu), vale a dire un piezocono che offre la possibilità aggiuntiva di effettuare misure discontinue della velocità di propagazione delle onde, principalmente in configurazione downhole.
La prova CPTu viene eseguita come una prova CPTe con il rilevamento della pressione interstiziale in uno o più punti della superficie del penetrometro.
Il penetrometro statico di tipo elettrico è dotato di sensori di carico interni che rilevano la forza esercitata sulla punta (resistenza alla punta), l’attrito laterale sul manicotto (attrito sul manicotto) e, ove applicabile, la pressione interstiziale in uno o più punti della superficie del penetrometro. E’ compreso un inclinometro per la misura dell’inclinazione del penetrometro.
A seconda dei tipi di terreno da testare, nella prova CPTu il filtro poroso viene generalmente posto sulla punta (Tipo 1), dietro la punta (Tipo 2), alle spalle del manicotto (Tipo 3) (Fig.3). Per la necessaria correzione della resistenza alla punta rilevata in rapporto alla resistenza totale, le norme nazionali e internazionali richiedono il Tipo 2, se non diversamente indicato.
Le specifiche riguardanti le tolleranze e le dimensioni della macchina, e i requisiti delle celle di carico per la prova elettrica CPTe sono contenute nella procedura di test internazionale di riferimento (ASTM D 5778, 2000; ISO 22476-12).
Il materiale costruttivo della maggior parte delle punte penetrometriche è l’acciaio per utensili, anche se qualche raro esemplare è disponibile in acciaio inossidabile od ottone.
Periodicamente, la punta e i componenti del manicotto devono essere sostituiti, perché danneggiati o usurati. Solitamente, il filtro poroso viene sostituito dopo ogni verticale di indagine. Si utilizzano anelli di plastica monouso, anelli di metallo sinterizzato o di ceramica riutilizzabile. I tipi riutilizzabili possono essere lavati in un bagno ad ultrasuoni.
Le differenze fondamentali tra la punta meccanica ed il piezocono sono illustrate nelle Figure 4a-4d. Risulta evidente che, nel caso della punta meccanica (tipo Begemann), viene misurata la forza (Qc) necessaria per infiggere nel terreno solamente la punta (mediante le aste interne). Dopo un’infissione di circa 4 cm, le aste interne cominciano a spingere nel terreno la punta e il manicotto laterale, misurando così la forza totale (Qt) per un ulteriore infissione di 4 cm. Quindi, l’attrito sul manicotto sarà Qt-Qc diviso per l’area del manicotto (As). A parte la considerazione che Qc e Qt vengono misurate a differenti profondità, è possibile effettuare una misura ogni 20 cm. Sarà necessario infiggere le aste esterne per spingere il cono e spostare la punta in una nuova posizione per effettuare un’altra misurazione.
Al contrario, nel caso del piezocono, la resistenza alla punta e al manicotto sono misurate in continuo e le aste interne non sono più necessarie.