Prove penetrometriche statiche e dinamiche: come interpretare i risultati (prove SPT, CPT, DP)

Le prove penetrometriche sono indagini geognostiche in sito che permettono di caratterizzare il sottosuolo misurando la resistenza del terreno all’infissione di una punta metallica o di un campionatore. Sono fra le indagini geognostiche eseguite più di frequente per la semplicità di esecuzione e il basso costo. Dai risultati delle prove penetrometriche è possibile ottenere i parametri geotecnici del terreno necessari per la verifica statica del complesso fondazione-terreno.

In quest’articolo vedremo quali sono le principali tipologie di prove penetrometriche, come vengono effettuate e quali parametri geotecnici è possibile ricavare da ognuna di esse. Buona lettura.

Prove penetrometiche statiche e dinamiche

Le prove penetrometriche consistono nell’infissione di una punta metallica o di un campionatore nel terreno, permettendo di caratterizzare indirettamente il sottosuolo misurando la resistenza del terreno opposta all’infissione della sonda. La profondità di indagine deve essere tale da indagare il volume significativo dell’opera da realizzare ovvero la parte di sottosuolo influenzata dalla costruzione del manufatto.

Le indagini penetrometriche si distinguono in:

• statiche: la punta viene infissa con continuità nel terreno ad una velocità costante, grazie alla pressione esercitata da un martinetto idraulico;
• dinamiche: la punta viene infissa nel terreno per battitura, facendo cadere ripetutamente un maglio di una data massa da un’altezza costante.

Le indagini penetrometriche si distinguono in:

• Prove statiche:
  • Prove CPT: Cone Penetration Test
• Prove dinamiche
  • Prove DP che a loro volta si classificano in DPL, DPM, DPH, DPSH a seconda dell’entità della massa battente;
  • Prove SPT: Standard Penetration Test

Nel seguito del post analizzeremo nel dettaglio le diverse tipologie di indagini penetrometriche.

Prove penetrometriche statiche CPT: Cone Penetration Test

La prova CPT, acronimo di Cone Penetration Test, è un’indagine penetrometrica di tipo statico. In tale prova una punta metallica viene infissa nel terreno ad una velocità costante, solitamente 2 cm/s, mediante l’applicazione di una pressione esercitata da un martinetto iraulico.

La punta utilizzata per la prova CPT è la punta Begemann di dimensioni standard. La punta Begemann è una punta conica, ha un diametro di 35.7 mm cui corrisponde una superficie di 10 cmq, con angolo di 60°. Tale punta è composta da due parti: la punta vera e propria e un manicotto laterale di superficie pari a 150 cmq.

La punta è collegata ad una batteria di aste che hanno al loro interno un’astina scorrevole al fine di consentire l’avanzamento differenziato della sola punta, del solo manicotto e dell’insieme di punta e manicotto laterale.

La punta viene fatta avanzare per tratti di 10 cm, con avanzamento alternato di punta, punta e manicotto laterale e infine il solo manicotto laterale.

La prova CPT è in grado di misurare la resistenza alla punta qc e la resistenza laterale fs. La resistenza laterale viene ottenuta per differenza fra la resistenza totale ottenuta dall’avanzamento della punta più manicotto e la resistenza all’avanzamento della sola punta.

Il risultato della prova sarà un grafico continuo che riporta la resistenza alla punta qc e la resistenza laterale fs in funzione della profondità. Tramite correlazioni empiriche è possibile ottenere le caratteristiche fisiche e meccaniche del terreno di fondazione dai valori ottenuti per qc e fs, come vedremo più avanti nel corso dell’articolo.

Prove penetrometriche dinamiche continue (DPL, DPM, DPH, DPSH)

La prova penetrometrica dinamica continua DP consiste nella misura della resistenza alla penetrazione di una punta conica metallica collegata ad un asta di acciaio prolungabile con l’aggiunta di successive aste, di dimensioni standard.

L’asta viene infissa nel terreno facendo cadere un maglio di dato peso da un’altezza costante. Le informazioni fornite dalla prova sono di tipo continuo in quanto durante l’intera fase di infissione si conta il numero di colpi necessari alla penetrazione della punta conica per ciascun tratto di lunghezza stabilita.

Le prove penetrometriche dinamiche continue possono seguire diversi standard in funzione delle combinazioni dei parametri adottati quali:

• massa del maglio (da 10 a 100 kg)
• altezza di caduta (da 200 a 760 mm)
• diametro della punta (da 22 a 63 mm)
• forma della punta (angolo di apertura da 60° a 90°, prolungamento alla base del cono)
• diametro esterno delle aste (da 16 a 45 mm)
• penetrazione di riferimento (da 100 a 300 mm)

La prova penetrometrica dinamica si può distinguere in quattro differenti tipi, sulla basse dell’entità della massa battente.

Tipo	Sigla della prova	Massa battente (kg)
Leggero	DPL (light)	M ≤ 10
Medio	DPM (medium)	10 < M < 40
Pesante	DPH (heavy)	40 < M < 60
Super pesante	DPSH (super heavy)	M ≥ 60

La resistenza alla punta Rpd si ottiene applicando la formula olandese che fornisce la resistenza alla punta in funzione dei seguenti parametri:

• e = delta / N = (tratto di infissione delta) / (numero di colpi N)
• Area della punta
• Massa battente
• Altezza di caduta
• Massa totale del sistema più aste

Prove penetrometriche dinamiche SPT: Standard Penetration Test

La prova penetrometrica dinamica SPT, acronimo di Standard Penetration Test, consiste nell’infissione nel terreno di un tubo campionatore cavo di dimensioni standard. La prova viene eseguita sul fondo foro di una perforazione. L’infissione avviene mediante battitura, facendo cadere ripetutamente un maglio di massa 63.5 kg da un’altezza di 76 cm.

Durante la prova si registra il numero di colpi necessario per far avanzare il campionatore di un tratto di 45 cm. Il tratto di infissione viene suddiviso in tre tratti da 15 cm per ciascuno dei quali si registra il numero di colpi necessario per l’avanzamento.

Pertanto durante la prova si misura:

• N₁ = numero di colpi necessari a provocare l’avanzamento del campionatore per i primi 15 cm, assunti come tratto di “avviamento”;
• N₂ = numero di colpi che provoca la penetrazione del campionatore nei successivi 15 cm;
• N₃ = numero di colpi necessari per gli ultimi 15 cm di avanzamento.

Si assume come risultato della prova un numero di colpi pari a:

N_SPT = N₂ + N₃

Il campionatore standard utilizzato per la prova SPT è detto Raymond, dal nome della società che lo ha introdotto per prima. Consiste in un tubo carotiere avente diametro esterno di 51 mm, spessore 16 mm e lunghezza complessiva di 813 mm.

La prova SPT è un tipo di indagine molto diffuso in tutto il mondo per la sua semplicità di esecuzione. Grazie all’esecuzione su larga scala di questo tipo di prova, in letteratura sono disponibili numerose correlazioni sperimentali che consentono di risalire ai parametri geotecnici del terreno sulla base del numero di colpi della prova SPT.

Lo svantaggio della prova SPT sta nel fatto che tale prova consente di ottenere informazioni puntuali e discontinue, a differenza della prova dinamica continua DP, in quanto è una prova che viene eseguita sul fondo di un foro di sondaggio.

Pertanto se è necessario ottenere informazioni continue in funzione della profondità del terreno è preferibile eseguire prove statiche CPT o prove dinamiche DP.

Prove penetrometriche: come ottenere i parametri geotecnici del terreno

Le prove penetrometriche forniscono come risultato la resistenza alla punta e laterale (prova CPT) oppure il numero di colpi (prove SPT e prove DP). Come è possibile ottenere da questi risultati informazioni sulla tipologia di terreno e i valori dei parametri geotecnici?

Esistono numerose correlazioni empiriche fra i risultati delle prove penetrometriche e i parametri geotecnici del terreno. Vediamo di seguito quali sono le più utilizzate per ciascun tipo di prova.

Prove statiche CPT: correlazioni empiriche

Per le prove statiche CPT è possibile ottenere le seguenti informazioni utilizzando abachi di origine sperimentale:

• la tipologia di terreno utilizzando un abaco che mette in relazione la resistenza alla punta qc e il rapporto fra la resistenza alla punta e la resistenza laterale fs/qc;
• la densità relativa del terreno utilizzando un abaco che mette in relazione il valore di qc con la tensione efficace verticale;
• l’angolo di resistenza al taglio utilizzando un abaco che mette in relazione la densità relativa e la tipologia di terreno.

Prove dinamiche SPT: correlazioni empiriche

Per le prove dinamiche SPT è possibile ottenere le seguenti informazioni utilizzando abachi di origine sperimentale:

• la densità relativa del terreno in funzione del numero di colpi e della tensione efficace verticale;
• l’angolo di resistenza al taglio in funzione del numero di colpi e della tensione efficace verticale;
• il modulo edometrico in funzione del numero di colpi e della densità relativa.

In letteratura esistono altre correlazioni empiriche che permettono di ottenere i seguenti parametri geotecnici a partire dal numero di colpi:

• modulo di Young (correlazione di Schmertmann, 1978);
• peso dell’unità di volume (correlazione di Meyerhof ed altri);
• peso dell’unità di volume saturo (correlazione di Terzaghi-Peck, 1948-1967);
• modulo di Poisson (correlazione A.G.I)
• modulo di deformazione a taglio dinamico (correlazione di Ohsaki & Iwasaki)
• velocità delle onde di taglio (correlazione di Ohta e Goto, 1978)
• coefficiente di spinta a riposo k₀ (correlazione di Navfac, 1971-1982)
• resistenza alla punta del penetrometro statico (correlazione di Robertson, 1983)

Prove dinamiche continue DP: correlazioni empiriche

Per la prova penetrometrica dinamica continua DP i parametri geotecnici del terreno si ottengono utilizzando le stesse correlazioni empiriche valide per la prova SPT. Pertanto il numero di colpi N della prova DP dovrà essere convertito in un numero di colpi equivalente N_SPT della prova SPT. Tale conversione si ottiene mediante una semplice formula che utilizza il fattore di conversione β_t , definito come segue:

N_SPT = β_t * N

• N_SPT = numero di colpi della prova SPT;
• N = numero di colpi della prova DP;
• β_t = Q/Q_SPT, fattore di conversione dato dal rapporto fra l’energia specifica per colpo (Q) e quella riferita alla prova SPT (Q_SPT).

Conclusioni

Le indagini penetrometriche statiche e dinamiche consentono di ottenere i parametri geotecnici del terreno e informazioni sulla successione stratigrafica partendo da un singolo risultato ottenuto dalla prova: la resistenza alla punta e laterale o il numero di colpi. Grazie alle numerose correlazioni empiriche disponibili in letteratura è possibile ottenere i parametri fisici e meccanici necessari per la verifica geotecnica del complesso fondazione-terreno.

La pianificazione della campagna di indagini geotecniche in sito è responsabilità del progettista, come specificato dalle NTC2018 e Circolare 2019 (te ne ho parlato in quest’articolo). Pertanto è indispensabile per un progettista strutturale conoscere le modalità di esecuzione delle prove penetrometriche statiche e dinamiche e i risultati che è possibile ottenere da esse, in modo da poter decidere se tali prove siano sufficienti per caratterizzare il terreno di fondazione in relazione all’entità dell’opera da realizzare. I risultati delle prove penetrometriche possono essere utilizzati per eseguire anche la verifica di sicurezza nei confronti della liquefazione per i terreni sabbiosi saturi.

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Al prossimo post.

Marco