La carta di classificazione del terreno costituisce uno strumento per raggruppare i terreni in base alle loro caratteristiche comportamentali. Il metodo convenzionale per determinare la tipologia di un terreno è l’utilizzo di una classificazione mediante prove di laboratorio su campioni prelevati tramite sondaggio. Se si desidera ottenere un profilo stratigrafico continuo o quasi continuo del sottosuolo, la prova penetrometrica statica (CPT) dà la possibilità di risparmiare tempo e denaro rispetto ai metodi tradizionali di campionamento e prova.
Esistono numerosi metodi di classificazione in grado di prevedere la tipologia di terreno utilizzando sia dati ottenuti con prove CPT e/o CPTu. (Begemann, 1965; Schmertmann, 1978; Searle, 1979; Douglas e Olsen, 1981; Senneset e Janbu, 1985; Robertson et al., 1986; Campanella e Robertson, 1988; Robertson, 1990, 2009, 2010; Jefferies e Davies, 1991; Eslami e Fellenius, 1997; Fellenius e Eslami, 2000; Jung et al., 2008; Cetin e Ozan, 2009).
Il profilo stratigrafico per la prova penetrometrica statica meccanica CPT si ottiene generalmente utilizzando uno degli approcci seguenti:
a) BEGEMANN (1965): la carta di classificazione per le prove penetrometriche statiche meccaniche si basa su 250 dati diversi, facenti riferimento a terreni olandesi (Fig.13). La resistenza alla punta qc si trova sull’asse y e l’attrito laterale locale fs su quello delle x. Le linee (passanti per l’origine), che suddividono la carta in campi e che consentono di identificare il terreno, sono state ottenute sulla base della percentuale di peso delle particelle con diametro inferiore a 16 μm.
b) SCHMERTMANN (1978): nel grafico viene utilizzato il database di Begemann e una serie di prove penetrometriche statiche eseguite in Florida. (Fig.14). Sull’asse delle y viene tracciata la resistenza alla punta qc su scala logaritmica, mentre il rapporto delle resistenze Rf = (fs/qc)*100 viene tracciato sull’asse x su scala lineare. Vengono inoltre fornite indicazioni di carattere qualitativo sulla densità delle sabbie (che aumenta con la qc) e sulla consistenza delle argille (che aumenta con fs). Le differenze più rilevanti rispetto al grafico Begemann riguardano i limiti delle diverse litologie e la mancata linearità tra qc e fs. Questo metodo non è altrettanto preciso per valori bassi della qc .
c) SEARLE (1979): la carta di classificazione rappresenta la resistenza alla punta qc (MPa) sull’asse delle y Rf con la stessa scala (Fig.15). Il metodo Searle, come il metodo Schmertmann, fornisce indicazioni aggiuntive quali la densità delle sabbie e la consistenza dei terreni fini.
d) DOUGLAS e OLSEN (1981) hanno messo a punto una carta di classificazione per le prove penetrometriche con punta elettrica.
Per la prova CPTu le carte di classificazione più utilizzate sono le seguenti:
a) ROBERTSON et al. (1986): Robertson e Campanella hanno costruito due carte di classificazione utilizzando il parametro (qt) per l’asse y, ma due diversi parametri per l’asse x (Rf e Bq) (Fig.16). qt è la resistenza totale alla punta corretta sulla base di u rilevata durante la penetrazione e il rapporto tra l’area del cono (An) non influenzata dalla pressione interstiziale divisa per l’area totale del cono (Ac).
qt = qc + u2*(1-An/Ac)
Bq è il rapporto della pressioni nei pori
Bq = (u2 – u0) / (qt – σv0)
Dove:
u2 = pressione interstiziale rilevata con un filtro poroso collocato immediatamente sopra la base del cono durante la penetrazione
u0= pressione idrostatica
qt= resistenza alla punta corretta in base al valore di u
σvo = carico litostatico totale
Figura 16. Carta di classificazione del terreno ROBERTSON et al. (1986)). 1. Terreno a grana fine sensitivo, 2. Materiale organico, 3. Argilla, 4. Da argilla limosa ad argilla, 5. Da limo argilloso ad argilla limosa, 6. Da limo sabbioso a limo argilloso, 7. Da sabbia limosa a limo sabbioso, 8. Da sabbia a sabbia limosa, 9. Sabbia, 10. Da sabbia ghiaiosa a sabbia, 11. Sabbia molto compatta a grana fine, 12. Da sabbia a sabbia argillosa.
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Gli autori consigliano di utilizzare entrambi i grafici poiché i fattori determinanti sono numerosi. Ovviamente l’uso di entrambi i grafici può condurre a risultati diversi. In tali circostanze è opportuno fare riferimento alla competenza e al giudizio dell’operatore.
Per esempio, se durante la prova si ottengono i valori seguenti : qt=1MPa; Rf = 4%; Bq = 0.1 il terreno esaminato potrebbe essere classificato come argilla nel diagramma qt/Rf e come limo argilloso nell’altro. È possibile risolvere i dubbi misurando la dissipazione; se questa è piuttosto rapida (t50<60s), il terreno apparterrà alla seconda categoria.
Il diagramma di Robertson et al. (1986) contempla 12 tipologie di terreno (SBT) e può essere utilizzato in tempo reale per valutare la tipologia di terreno durante o subito dopo un test CPTu, in quanto richiede soltanto i rilevamenti CPTu di base.
Robertson (2009, 2010) ha fornito un aggiornamento della carta in termini di resistenza alla punta adimensionale, (qc/pa), dove pa = pressione atmosferica (pa = 1 bar = 100 kPa = 0.1 MPa) e Rf (in percentuale), entrambi su scale logaritmiche per allargare la porzione in cui Rf < 1%. Anche il numero di tipologie comportamentali del terreno è stato ridotto a 9 per corrispondere al diagramma di Robertson (1990) in (Fig.17).
b) ROBERTSON (1990): l’autore ha introdotto due nuovi parametri per tenere conto dell’influenza che la pressione litostatica può esercitare a grandi profondità (Fig.18).
Qt normalizzata = (qt - σv0) / σ'v0; valore utilizzato per le ordinate di entrambi i grafici
Rf normalizzata = fs / (qt - σv0)
Bq normalizzata
dove
ΔU=U2-U0
La carta mostra 9 tipologie di terreno (SBTn) ed è applicabile unicamente ove il carico litostatico é molto elevato, tale da modificare la qc in modo significativo. Per questo motivo, gli autori consigliano di utilizzare la carta qui sopra in caso di profondità superiori a 30 metri dal livello del suolo. La normalizzazione dei parametri richiede inoltre l’inserimento di alcuni parametri quali il peso di volume del terreno e le condizioni della falda freatica (uso del diagramma limitata alla fase di post-processing).
Jefferies e Davies (1993) hanno scoperto che un Indice di Tipologia di Comportamento dei terreni Ic potrebbe rappresentare le zone SBTn nel diagramma di Robertson (1990) dove Ic è il raggio dei cerchi concentrici che definiscono i confini della tipologia di terreno. Gli autori suggeriscono che l’Indice Ic dell’SBT possa essere utilizzato anche per modificare correlazioni empiriche che variano a seconda della tipologia di terreno.
c) ESLAMI e FELLENIUS (1997): la carta di classificazione creata da Eslami e Fellenius è basato su un database che contiene prove CPT e CPTu associate a test di laboratorio relativi a terreni prelevati da 20 siti posti in diverse parti del mondo (Fig.19).
Il database non comprende casi di terreni cementati o di argille molto compatte e di conseguenza tali litotipi non sono riportati nel diagramma. L’asse delle x fornisce la fs, mentre sull’asse y troviamo un nuovo parametro qe (resistenza alla punta effettiva) = (qt-u2).
Nei terreni densi sabbiosi qe differisce solo lievemente da qt; mentre nel caso di terreni a grana fine qt e qe possono assumere valori molto diversi. Gli autori hanno diviso il diagramma di classificazione in una serie di campi che corrispondono ai vari litotipi del Canadian Foundation Engineering Manual (Canadian Geotechnical Society, 1985).
Quando si utilizzano le carte di classificazione ci sono comunque alcuni aspetti importanti di cui tenere conto (Lo Presti et al, 2009):
- Le correlazioni sono state stabilite su terreni provenienti da contesti geologici che possono essere diversi dai terreni esaminati. Sarebbe opportuno analizzare attentamente le condizioni geologiche e geotecniche (litotipo, grado di alterazione, cementazione, consolidamento, etc..) del terreno utilizzato per trovare le correlazioni allo scopo di verificare la loro applicabilità al terreno studiato.
- I limiti che definiscono le classi di comportamento SBT, sono stati determinati in modo soggettivo (Cai et al., 2011).
- I metodi di classificazione hanno dei limiti: l’applicazione della carta di classificazione di Begemann (1965) risulta difficile nel caso di valori in cui qc< 5 MPa e fs <50 kPa, in quanto le linee che distinguono una classe da un’altra si trovano molto vicine tra loro; il metodo Schmertmann (1978) non è così accurato per valori bassi di qc; con il metodo Robertson (1990) la normalizzazione della resistenza alla punta e dell’attrito laterale soggetto alla sollecitazione da sovraccarico tende, a profondità limitate, a sovrastimare le dimensioni granulometriche del terreno.
Il tipo di penetrometro utilizzato (a punta elettrica, meccanica o con piezocono) costituisce un altro fattore di rilievo (Cestari, 1990). Nel penetrometro meccanico, una riduzione del diametro della punta al di sopra del cono fornisce (in modo particolarmente rilevante in sabbie molto dense) valori di qc più bassi di quelli ottenuti con una punta elettrica. Al contrario, l’attrito del terreno lungo il manicotto protettivo sopra il cono, è responsabile di una qc maggiore di quella rilevata con la punta elettrica (in modo particolarmente significativo in sabbie sciolte e argille tenere). Nel caso della punta Begemann con manicotto, non si rileva soltanto l’attrito ma, a causa del raccordo posto all’estremità inferiore del manicotto, anche una parte della resistenza alla base (materiale rifluito dopo il passaggio della punta). Per questo motivo l’attrito laterale fs rilevato con la punta meccanica è sempre maggiore di quello rilevato con la punta elettrica (la differenza è praticamente nulla per l’argilla).
- Le carte di classificazione basate sulle prove CPT e CPTu sono predittive della tipologia di comportamento del terreno (SBT), poiché il cono risponde al comportamento meccanico in situ del terreno e non direttamente ai criteri di classificazione basati sulla distribuzione granulometrica e sulla plasticità (Robertson, 2009) (es. Unified Soil Classification System, USCS). Anche fattori quali la storia tensionale, le sollecitazioni in situ, la struttura, l’indice dei vuoti e il contenuto d’acqua influenzano la risposta delle prove CPT/CPTu e di conseguenza il relativo SBT. Il sistema di classificazione USCS si basa altresì su terreni rimaneggiati piuttosto che su terreni industurbati. Fortunatamente, i criteri di classificazione del terreno basati sulla distribuzione granulometrica e sulla plasticità spesso si rapportano abbastanza bene al comportamento del terreno in situ e quindi c’è spesso una buona corrispondenza tra la classificazione basata sul sistema USCS e la tipologia di comportamento basata sulla prova CPTu, fatta eccezione per i terreni misti (es. miscele sabbiose e miscele limose).
- Le carte di classificazione si dimostrano inoltre sensibili alla velocità di penetrazione, e non sono adatte a velocità di penetrazione diverse da quelle per cui sono state create (Jaeger et al., 2010).
Lo Presti et al. (2009) hanno condotto una ricerca per verificare l’applicazione dei test CPT e CPTu nell’elaborazione del profilo stratigrafico di un terreno, per esempio l’identificazione del litotipo e dei limiti stratigrafici.
I dati dei test CPT e CPTu condotti a circa 6-23 m di profondità, in 11 diversi siti italiani appartenenti a contesti geologici diversi (terreni organici lacustri, terreni lacustri alluvionali molto eterogenei, terreni alluvionali terrazzati, terreni alluvionali recenti, terreni alluvionali a ventaglio, terreni di estuario e marini) sono stati tratti da relazioni pubblicate oppure sono il risultato di prove condotte con un penetrometro Pagani (TG 63-100, TG 63-200, TG 73-200) (Pagani, 2009). L’apparecchiatura per i test è composta da una punta conica a 60° (un piezocono per prove CPTu e punta meccanica Begemann per test CPTm), con una base avente un’area di 10 cm2 e un manicotto d’attrito da 150 cm2collocato sopra la punta. Il filtro per la misurazione della pressione interstiziale è collocato dietro la punta del cono (u2). I test CPTu sono stati condotti ad una velocità costante di 2 cm/s.
L’apparato di spinta è composto da un martinetto idraulico e da un sistema a reazione montati su un camion con ancoraggio a vite. La capacità di spinta va da 100 a 200 kN. Il sistema di acquisizione dati sul campo è munito di convertitori analogico-digitali. Il piezocono fornisce valori relativi alla resistenza alla punta, all’attrito sul manicotto e alla pressione interstiziale ogni 1 cm.
I profili stratigrafici dei terreni sono stati ricostruiti mediante sondaggi a rotazione. Inoltre, per la caratterizzazione geotecnica dei terreni sono state eseguite prove in laboratorio (prove di classificazione, prove edometriche, prove triassiali e di taglio diretto). In alcuni siti le prove penetrometriche sono state ripetute in diversi periodi dell’anno corrispondenti a periodi umidi e secchi e con l’uso di vari fluidi per la saturazione del filtro (oli di silicone e glicerina).
La percentuale di successo è stata calcolata come il rapporto tra il numero di intervalli correttamente classificati in una categoria di terreno e il numero totale di intervalli della categoria di terreno. Dalla ricerca sono state tratte le seguenti conclusioni (Lo Presti et al., 2009):
- le percentuali di successo sono diverse a seconda delle varie carte di classificazione;
- le carte di classificazione delle prove CPT (Begemann, Schmertmann e Searle) solitamente identificano terreni torbosi (78% di successo) e depositi saturi omogenei ma mostrano risultati insoddisfacenti nel caso di terreni limosi misti (limi, limi argillosi e sabbiosi e sabbie fini con limo) (0-28%) e con terreni con granulometrie molto diverse (es. argilla ghiaiosa);
- per le prove CPT, il metodo Begemann e in particolare il metodo Schmertmann hanno ottenuto buone percentuali di successo in caso di argille tenere, argille organiche o sabbie. Il metodo Searle ha fornito percentuali di successo più basse. Tuttavia, i litotipi sono generalmente classificati come “adiacenti” o simili, pertanto gli errori di interpretazione che si osservano in tale metodo sono, in pratica, accettabili. L’aspetto interessante del metodo Searle è che si basa su un numero molto più ampio di classi. Tutti i metodi considerati hanno identificato correttamente i limiti stratigrafici.
- Le prove CPTu hanno fornito una stima migliore del profilo stratigrafico del terreno rispetto alle prove CPT. Per alcuni metodi interpretativi la filtrazione dei dati ha migliorato enormemente la capacità di prevedere chiaramente il profilo stratigrafico del terreno. In alcuni casi sembra ci siano problemi nel rilevamento di strati sottili anche ricorrendo a prove CPTU. Tutti i metodi presi in esame identificano correttamente i limiti stratigrafici; con il metodo Begemann e in particolare con il metodo Schmertmann ci sono state buone percentuali di successo in caso di argille tenere, argille organiche o sabbie.
- La carta di Robertson et al. (1986) identifica correttamente il 100% dei terreni organici, delle argille e delle sabbie, mentre la maggior parte dei terreni intermedi (quali limo argilloso e limo sabbioso) non sono riconosciuti, con percentuali di successo che vanno dal 50% allo 0%.
- La carta di Robertson (1990) mostra risultati comparabili a quelli del diagramma precedente;
- La carta di Eslami e Fellenius (1997) non presenta percentuali di successo elevate in caso di terreni misti, mentre nel caso di argilla e sabbia i risultati sono soddisfacenti (percentuale di successo fino al 100%).
- La presenza di una crosta poco profonda e parzialmente satura (specialmente in caso di terreni a grana fine) ha portato a sovrastimare la dimensione della granulometria del terreno. Tale errore di interpretazione viene enfatizzato quando si utilizza il metodo Robertson (1990).
- I risultati mostrano che le metodologie interpretative prese in considerazione dipendono strettamente dalle condizioni geologiche dei terreni su cui sono state create, pertanto non possono essere considerate come completamente affidabili. Inoltre, le prove penetrometriche necessitano di essere calibrate tramite log stratigrafici desunti da indagini geognostiche dirette.
- Per fornire una corretta interpretazione, la classificazione stratigrafica basata sui dati delle prove CPT e CPTu richiede la conoscenza della storia geologica e della genesi del terreno. Nonostante ciò è possible fidarsi delle prove CPT e CPTu quando queste sono supportate dagli altri test e dalle informazioni disponibili sul sito esaminato.
- Le prove CPT/CPTu possono essere utilizzate per effettuare correlazioni stratigrafiche e possono essere di grande aiuto per identificare unità geologiche a scopi ingegneristici e per costruire il modello geologico di un sito. Esse possono definire situazioni locali che necessitano di studi dettagliati.
L’uso di prove CPT e CPTu per l’identificazione di litotipi e limiti stratigrafici viene talvolta complicato da numerosi impedimenti, nella fattispecie:
• lo spessore minimo dello strato che può essere rilevato tramite la resistenza alla penetrazione;
• la presenza di terreni parzialmente saturi,
• la presenza di terreni costituiti con granulometria differente (ad es. argilla ghiaiosa),
• la presenza di terreni misti (ad es. miscele di sabbia, di limo)
• la ripetibilità delle prove in diverse condizioni climatiche.
E’ ampiamente accettato che le misurazioni della qc rappresentano la risposta localizzata del terreno vicino alla punta. Tuttavia, non sappiamo ancora quale porzione di terreno influenzi tali misurazioni, per poter essere in grado di stabilire lo spessore minimo dello strato che può essere analizzato mediante la resistenza alla penetrazione. Sulla base delle analisi numeriche e delle prove in camera di calibrazione, Vreugdenhil et al. (1994), Ahmadi e Robertson (2005) hanno tentato di rispondere a questa domanda. I lavori menzionati indicano unanimemente che tale spessore dipende dalla rigidità relativa di due strati contigui. In particolare, la resistenza alla penetrazione di uno strato tenero (argilla) sottostante a uno strato rigido (sabbia densa) è pienamente mobilizzata anche per spessori pari a 1-2 volte il diametro della punta, mentre è necessario uno spessore di 10-20 volte il diametro per mobilizzare pienamente la resistenza di uno strato rigido sottostante a uno tenero.
Una delle limitazioni delle prove CPTu in terreni a grana fine contenenti inclusioni granulari,quali ghiaia grossa e ciottoli, consiste nel fatto che queste inclusioni possono distorcere l’interpretazione del terreno, causando una riduzione consistente della pressione dell’acqua interstiziale in grado di indebolire le prestazioni del filtro poroso, quando quest’ultimo è ubicato sopra la base del cono. Inoltre, le classi di terreni proposte da vari autori indicano una graduale transizione da terreni a grana fine a terreni a grana grossa. Un terreno composto da grani di dimensioni molto differenti (ad es. argilla ghiaiosa) non potrà essere interpretato correttamente.
Un altro vincolo è costituito dalla difficoltà di applicare le carte di classificazione in terreni parzialmente saturi (specialmente terreni fini) a causa della pressione dei pori che modifica lo sforzo efficace. In queste condizioni, l’applicazione delle carte di classificazione conduce generalmente a sovrastimare le dimensioni granulometriche del terreno (Lo Presti et al. 2009).
Tipicamente, le prove CPT e CPTu pentrano i materiali a grana fine in condizioni non drenate e quelli a grana grossa in condizioni drenate. Nessun metodo di valutazione delle proprietà dei materiali in condizioni drenate e non drenate derivanti da prove CPT/CPTu può essere applicato in modo attendibile ai terreni intermedi, la cui risposta alle prove CPT/CPTu convenzionali è parzialmente drenata (Jaeger et al., 2010). Le possibilità di successo sono buone nel caso di terreni omogenei saturi, in particolare argilla tenera o terreni organici. Per le argille limose o le sabbie limose tenere le carte di classificazione forniscono una classificazione errata. I terreni intermedi sono tendenzialmente molto più difficili da differenziare (Ramsey, 2010; Lo Presti et al., 2010).
Un altro problema è rappresentato dalla ripetibilità delle prove CPT e CPTu. Qc e fs dipendono dalle condizioni del sito, che sono legate alle condizioni climatiche del periodo in cui le prove si sono svolte. Un esempio è rappresentato dalle prove CPTU effettuate in periodi differenti nel conoide alluvionale del torrente Scuropasso (un affluente di destra del fiume Po proveniente dall’Appennino), nella provincia di Pavia (Italia del Nord). Il terreno è costituito da argille limose e limi argillosi molto eterogenei (CH, CL) fino ad una profondità di 19 m, sovrastanti depositi sabbiosi che contengono un acquifero semiconfinato (Fig.20). E’ presente una falda acquifera sospesa ad una profondità di circa 1,8 m. Le prove CPTu sono state ripetute, nello stesso sito, in diversi periodi dell’anno, es. periodo umido (13/06/2001) e secco (28/09/2001); in entrambi i casi il piezocono era saturo di grasso.
Dai risultati ottenuti mediante le prove CPTu si può osservare che qc raggiunge valori prossimi a 7 MPa (periodo umido) e 4 MPa (periodo secco). A profondità maggiori essa diminuisce, mantenendo valori diversi nelle due prove fino a circa 2,8 m. Da questo punto in poi, i valori di qc sono uguali (2 MPa).
I valori maggiori di qc nei depositi artificiali sono probabilmente dovuti alla presenza di materiale a grana grossa, solitamente riscontrato durante la prova CPTu1. I valori più elevati di resistenza penetrometrica nel periodo secco fino ad una profondità di quasi 3,0 m, sono tuttavia attribuibili a valori maggiori degli sforzi efficaci come effetto della parziale saturazione in tale periodo. La diversa tendenza di qc nei due periodi, altresì confermata dal rapporto delle resistenze Rf, sembra dimostrare lo spessore del terreno, che è sensibile alle variazioni del contenuto di umidità dovute agli effetti del clima (“zona attiva”). Per quanto riguarda la pressione interstiziale u2, prendendo in esame la prova CPTu1 (periodo umido) possiamo osservare valori ridotti vicino al piano di campagna (u < 25 kPa) e un aumento alquanto contenuto in profondità. D’altro canto, nella prova CPTu2 (periodo secco) si riscontrano valori negativi fino a 2,5 m (probabilmente connessi alla parziale saturazione) e un aumento di u a maggiore profondità. Ad ogni modo, la saturazione del filtro con grasso sembra non fornire in molti casi buone rilevazioni della pressione interstiziale. Le considerazioni di cui sopra hanno come ovvia conseguenza una sovrastima della classificazione del terreno (in termini granulometrici) quando si utilizzano i dati ottenuti nei periodi asciutti.
In tempi recenti, sono stati sviluppati metodi di classificazione del terreno di tipo probabilistico per valutare le percentuali di argilla, limo e sabbia. In tali metodologie, basate su un approccio statistico, le incertezze vengono attribuite sia al comportamento meccanico del terreno che alla sua composizione. Zhang e Tumay (1999) hanno esaminato l’accuratezza della classificazione CPT tramite l’uso di due indici indipendenti: l’indice di classificazione del terreno e l’indice di stato in situ del terreno. In un secondo tempo, si è introdotto un approccio basato sulla “fuzzy logic”. Il metodo viene denominato di “Classe P” e utilizza la resistenza alla punta e l’attrito sul manicotto per valutare la probabilità di tipologia del terreno. Si tratta di un metodo completamente automatico e gestito con un software, disponibile e scaricabile gratuitamente dal sito web del Louisiana Transportation Research Center (LTRC) (http://www.coe/ su.edu/cpt/).
Kurup e Griffin (2006) hanno esaminato le capacità del modello della Rete Neurale Artificiale (ANN) basato sulla regressione per prevedere la composizione del terreno sulla base dei dati ottenuti con prove CPT.