PREMESSA

Il corso ha lo scopo di affrontare alcuni particolari argomenti della geotecnica (terreni di fondazione, stabilità di scarpate di scavo e riporto in terra e in roccia) e di svilupparli nell’ottica della pratica di cantiere. Ciò allo scopo di dare gli strumenti per una sommaria valutazione della fattibilità dei lavori in terra e in roccia e poter verificare in modo orientativo le condizioni di stabilità temporanee di scarpate di scavo o riporto durante le lavorazioni.

Il corso presuppone la conoscenza teorica di base di geotecnica e geologia, in quanto sarà effettuato un approfondimento applicativo della geotecnica di base, sviluppando gli aspetti e le problematiche di cantiere.
Ovviamente essendo le problematiche di cantiere assai varie e spesso irripetibili, nel corso sarà possibile affrontarne solo alcune tra le più comuni, con l’intento comunque di dare le nozioni fondamentali per evitare i pericoli più conosciuti.

Il presente documento sintetizza gli argomenti trattati durante il corso, sviluppabili successivamente sui testi in uso.

INDAGINI GEOGNOSTICHE

TRINCEE ESPLORATIVE

La trincea esplorativa consiste nello scavo di una porzione di terreno necessaria e sufficiente per poter essere esplorata.
Lo scavo avviene normalmente tramite escavatore.
La profondità dello scavo varia in funzione delle necessità conoscitive. Per esempio, nel caso di edifici è sempre opportuno che la profondità dello scavo sia superiore al piano di imposta delle fondazioni.

In genere la profondità significativa di una trincea va da un minimo di 2-3 m (sbraccio di piccolo escavatore) a un massimo di 5-6 m (sbraccio di grande escavatore).

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Vantaggi: possibilità di vedere la stratigrafia del terreno in sito e la sua disposizione spaziale. Possibilità di eseguire prove geotecniche rapide di campagna, eventualmente anche il prelievo di campioni poco disturbati. Possibilità di effettuare prove di permeabilità del terreno tramite le curve di svaso.

Svantaggi: profondità di indagine limitata, impossibilità di effettuare prove geotecniche in foro, impossibilità di prelievo di campioni indisturbati, necessità di spazio adeguato che permetta l’esecuzione dello scavo. Il metodo è applicabile solo ai materiali sciolti o coesivi, non alle rocce.

PERFORAZIONI A DISTRUZIONE DI NUCLEO

La perforazione a distruzione di nucleo consiste nell’esecuzione di un foro martello fondo-foro o, più raramente, il tricorno, senza il prelievo di campioni (carote).
Il metodo permette di distinguere vari tipi di terreno in funzione del loro grado di addensamento (es.: materiali sciolti meno compatti della roccia) e quindi della velocità di perforazione. Dall’esame del cattering di perforazione è possibile fare un esame rapido sulle litologie interessate.

Una metologia di indagine geognostica effettuata con il metodo della distruzione di nucleo è il DACTEST.
Il metodo consiste nella registrazione continua dei parametri di perforazione quali velocità di avanzamento, spinta, velocità di rotazione dell’utensile, coppia di rotazione, pressione del fluido di perforazione.

L’analisi dei profili di tali parametri (diagrafie) in funzione della profondità di perforazione fornisce l’esatta individuazione delle quote dei vari livelli del terreno, consentendo talvolta di evidenziare anche particolari situazioni stratigrafiche.
Le diagrafie, correlate ad un sondaggio di taratura a carotaggio continuo, permettono di ottenere una rappresentazione dettagliata della perforabilità.

Vantaggi: rapidità di esecuzione, possibilità di indagare il terreno a qualsiasi profondità, possibilità di effettuare fori orientati, prova molto economica. Il metodo è applicabile in qualsiasi tipo di terreno e litologia.

Svantaggi: impossibilità di prelevare campioni sia disturbati che indisturbati. Impossibilità di effettuare un’analisi stratigrafica dettagliata.
In questo tipo di indagine normalmente non si eseguono prove geotecniche in sito.

CAROTAGGIO CONTINUO

Il carotaggio è l’operazione di perforazione senza distruzione di nucleo, che ha lo scopo di recuperare il nucleo inducendo il minor disturbo possibile allo stesso.
Il nucleo recuperato si chiama “campione” o “carota”.
Il metodo consente di prelevare campioni poco disturbati o indisturbati, allo scopo viene utilizzato il carotiere che è uno strumento cavo, munito di tagliente, al cui interno trova alloggio la “carota” man mano che viene isolata dal terreno.

I carotieri più comuni sono di due tipi:

  • Carotiere semplice
  • Carotiere doppio

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Carotiere semplice

È costituito da un tubo semplice, alla cui estremità è avvitata una corona (utensile di taglio del terreno) e all’estremità opposta da un raccordo per l’avvitamento con le aste. Il carotiere può essere infisso a pressione in terreni soffici, mentre con il metodo della rotazione può essere infisso in qualsiasi tipo di terreno e roccia.

Un esempio di carotiere semplice a pressione è il campionatore Shelby (semplice fustella).
Il carotiere a rotazione è dotato di corona in denti in vidiam o diamantata.
La corona in vidiam viene utilizzata nei terreni sciolti, mentre la corona diamantata si usa nelle rocce.

Nel carotiere semplice la carota isolata dalla corona, va a contatto con le pareti interne del tubo che ruota e quindi subisce una deformazione.
Inoltre, normalmente viene utilizzato il liquido di perforazione che passando nell’intercapedine carotiere-campione, comporta l’asportazione dei fini con difficoltà di prelievo del campione.

Carotiere doppio
Questo carotiere è costituito da due tubi concentrici e coassiali, che si possono muovere in modo indipendente.
Il tubo esterno, a cui è fissata la corona di taglio, ruota e disgrega il terreno al contorno del campione.
Il tubo interno rimane fermo e recupera il campione.
Alla base del tubo interno è fissato il ferma-carote a molle che, evita la rotazione della carota e favorisce lo strappo.
Al di sotto del ferma-carote c’è lo strappa carote.
Il liquido di perforazione circola nell’intercapedine tra il tubo esterno e quello interno.
Il campione è a contatto con la corona rotante e con il liquido di circolazione soltanto per il breve tratto compreso tra il tagliente e il tubo interno leggermente arretrato.
I carotieri doppi sono in genere adatti per la corona diamantata e sono più sottili dei semplici favorendo il taglio della roccia.

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Carotiere Wire-line
L’operazione di carotaggio meccanico richiede, per il recupero del campione, il sollevamento dell’intera batteria di perforazione ogni volta che il campione ha rimepito il carotiere.
Questo comporta, ovviamente, tempi morti che sono tanto più lunghi quanto maggiore è la lunghezza del foro.

Per questo motivo, nelle perforazioni profonde (oltre i 60-100 m) viene utilizzato il carotiere a fune o “wire line”.
Il carotiere a fune è un tipo di carotiere doppio nel quale il tubo interno (sede del campione) può scorrere all’interno delle aste e può essere recuperato in superficie tirandolo per la fune a cui è attaccato.

Infatti, la particolarità di questo sistema di carotaggio è che il carotiere e le aste rimangono sempre nel foro, mentre si recupera il campionatore.
Il metodo permette quindi una notevole riduzione dei tempi di manovra.
L’impianto di perforazione è però piuttosto costoso in quanto necessità di attrezzature particolari, dedicate. Per questo motivo viene utilizzato solo oltre una certa profondità.

Carotiere triplo
Il caroteire triplo è un sistema particolare di recupero dei campioni indisturbati. Il metodo consiste nell’avere oltre al carotiere esterno e al tubo interno, un terzo tuboin plastica che raccoglie il campione.
Quando il carotiere doppio viene aperto, rimane il tubo di plastica contenente il campione al quale vanno semplicemente sigillate le estramità.

PROVE GEOTECNICHE RAPIDE DI CAMPAGNA

Durante le indagini geognostiche in terreni fini (sabbie, limi e argille) è possibile eseguire prove rapide di campagna utilizzando i seguenti strumenti:
Pocket Penetrometer (PP)
Torvane (Tv)

Il primo permette di ottenere una indicazione sulla resistenza al carico del terreno (Kg/cm2 ). In particolare, alcuni PP, adottando punte particolari, permettono tramite tabelline specifiche, di ricavare indicazioni sull’angolo d’attrito delle sabbie o della coesione non drenata delle argille.

Il Tv è uno strumento che misura la resistenza al taglio non drenata dei terreni coesivi e cioè la coesione Cu.

ESECUZIONE DI UNA STRATIGRAFIA DI UN SONDAGGIO GEOGNOSTICO A CAROTAGGIO CONTINUO.

La stratigrafia di un sondaggio geognostico, sia a carotaggio continuo, sia tramite trincea esplorativa, consiste nel descrivere attentamente il terreno osservato utilizzando una terminologia geologica e geologico-tecnica corretta.
Nella stratigrafia va descritto luogo e data del sonadggio, chi lo ha eseguito e con quale metodologia.

Nelle stratigrafie vanno riportati sia i dati delle prove rapide di campagna, sia i valori degli SPT.
Sono importanti da riportare anche tutte le eventuali osservazioni del manovratore, quali: difficoltà di perforazione, perdita di campioni, franamento del foro, ecc…

Molto importante è l’individuazione della falda e del suo livello o di livelli idrici sospesi.

Descrizione del terreno sciolto

In terreni sciolti dovranno essere descritti i seguenti aspetti:

  • granulometria, utilizzando la terminologia geotecnica in funzione delle percentuali delle varie classi granulometriche distinte. Possibilmente dovranno essere date anche le percentuali approssimative.
  • Caratteristiche dei clasti, quali: grado di arrotondamento, omogeneità o eterogeneità litologica ed eventualmente i litotipi di provenienza (carbonatici, siltitici, arenacei, granitici, ecc…)
  • In terreni coesivi: è necessario distinguere approssimativamente se trattasi di prevalente argilla o limo (tramite prove manuali di campagna quali pallina e/o bastoncino).
  • Struttura: stratificata o non stratificata. In funzione della percentuale di matrice è importante definire se il terreno è clasto sostenuto o matrice sostenuto.

Poi, in funzione delle finalità dell’indagine dovranno essere evidenziati e descritti gli aspetti più importanti per il caso in esame.

Descrizione della roccia

In roccia è necessario descrivere i seguenti aspetti:

  • Litologia attraversata e sue caratteristiche osservabili
  • RQD: medio per 1 m di carota
  • Caratteristiche dei giunti: distinguere strati da fratture, definire rugosità, alterazione, riempimento, ossidazione, inclinazione rispetto all’asse del sondaggio ecc…

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PROVE GEOTECNICHE IN SITO

PROVE PENETROMETRICHE DINAMICHE TIPO SPT

La prova penetrometrica dinamica tipo SPT (Standard Penetration Test) consiste nell’infiggere tramite battitura un campionatore lungo 45 cm dal fondo del foro di sondaggio.

La prova consiste nel far cadere un maglio del peso di 63,5 Kg da un’altezza di 76 cm. La prova e la strumentazione per la sua esecuzione sono standardizzate da delle specifiche norme: ISSMFE (Associazione Geotecnica Internazionale) che ha emesso la procedura di riferimento (ISOPT 1-1988).

Si conta il n° di colpi necessari per la penetrazione di ogni 15 cm.
Per le valutazioni si tiene in considerazione solo il n° di colpi per infiggere gli ultimi 30 cm.
La prova è finita quando:

  • Oltre 50 colpi per infiggere 15 cm
  • Oltre 100 colpi per infiggere 30 cm
  • Non succede nulla dopo 10 colpi

Norme AGI 1977
Queste norme dicono che il campionatore può essere sostituito da una punta chiusa per terreni granulari ove gli elementi hanno diametro maggiore di quello del tubo campionatore (diametro 4 cm).
In rocce tenere (es. argilliti o marne) è comunque meglio usare il campionatore.

Per l’esecuzione della prova è necessario che il foro sia pulito, che il rivestimento non sia oltre la profondità del foro e non estrarre il rivestimento.
Con il campionatore a “scarpa aperta” posso prelevare un campione disturbato che mi permette di vedere il terreno attraversato.

La punta chiusa la si usa in genere in ghiaia o in terreni molto eterogenei, grossolani. Ciò anche perché la scarpa aperte può subire lesioni al tagliente che in futuro mi può portare a valori errati di SPT.
La punta conica ha dimensioni e angolo definiti dalle norme e va sostituita se rovinata. Per quanto riguarda il sistema di battitura si sottolinea solo la necessità della lubrificazione del maglio in caduta, allo scopo di evitare attriti.

Vantaggi

  • La prova permette di indagare le caratteristiche di consistenza del terreno nel foro di sondaggio alla profondità voluta.
  • La prova è standardizzata.
  • Essendo eseguita in foro di sondaggio è possibile conoscere il tipo di materiale indagato.
  • Può essere eseguita in qualsiasi tipo di terreno.
  • Esistono numerose formulazioni per la definizione dei parametri geotecnici riferite alle prove SPT.

Svantaggi

  • La prova è discontinua.
  • Non è molto adatta per terreni coesivi.
  • Per la sua esecuzione necessita di una perforatrice adeguata, in genere piuttosto ingombrante.
  • I risultati possono essere influenzati dalle caratteristiche dell’attrezzatura, dalle modalità esecutive e dalla professionalità del manovratore.

Utilizzo dei risultati

Il valore risultante della semplice somma del n° di colpi non è indicativo della reale resistenza del terreno, in quanto ci sono vari fattori che influenzano la prova quali: rendimento della battuta e la pressione litostatica.
In considerazione di ciò il valore della somma sui 30 cm va corretto.

La correzione può essere effettuata in vari modi.

Rendimento
Tutto il sistema di battitura ha un rendimento finale, riconosciuto dai ricercatori, pari al 60% e quindi si parlerà di N’60

Pressione litostatica 

N’=CnxN

Ad elevate profondità (oltre 5-10 m) è meglio confrontare il risultato con altre relazioni quali Terzaghi o Bazaraa

Densità relativa
Le indagini con SPT evidenziano prima di tutto lo stato di addensamento del terreno. Pertanto la grandezza fondamentale ricavabile è la densità relativa.
La Dr può essere stimata con varie formulazioni e diagrammi.

Angolo d‘attrito
Anche l’angolo d’attrito può essere valutato tramite diagrammi e correlazioni empiriche che si basano sul numero di colpi e/o sulla Dr.

Particolare interesse ha la prova SPT per la stima del modulo di taglio dinamico G e la stima delle onde di taglio.
Questi parametri sono particolarmente utili per la progettazione in zona sismica.

Considerazioni sulle valutazioni

Le formulazioni empiriche e semiempiriche presenti in bibliografia sono riferite a terreni limosi, sabbie, limi argillosi o ghiaino.
Non ci sono formulazioni sperimentali per terreni più grossolani o misti.
Va ricordato che essendo la prova di tipo dinamico, se eseguita in terreni coesivi, le condizioni sono di tipo non drenato. Pertanto se si vuole stimare la coesione, va considerato φ=0!

I risultati ottenuti per uno stesso parametro, tramite diversi autori, possono essere anche molto diversi.
In considerazione di ciò è fondamentale che ogni parametro sia stimato utilizzando varie relazioni.

Poi, in funzione del tipo di terreno, sarà cura di chi fa le elaborazioni considerare corretto un valore piuttosto che un altro.
Nel caso di dubbi è meglio utilizzare i valori minori. Infatti la prova SPT tende a sovrastimare i risultati, specialmente se eseguita con la punta chiusa.

Giacchè la prova SPT è discontinua, è di importante eseguire il maggior numero di prove nello stesso foro. In ogni caso la distanza minima tra due prove consecutive è 1,5 m, pari ad una manovra di carotaggio e comunque ad una distanza tale che permetta di essere sicuri che il terreno in cui si fa la prova non sia stato influenzato dalla prova precedente.

PROVA PENETROMETRICA DINAMICA CONTINUA DP

La prova penetrometrica dinamica DP (Dynamic Probing), consiste nell’infissione per battitura continua di una punta collegata ad aste graduate.
Anche in questo caso, come nelle prove SPT, si conta il n° di colpi necessario per far penetrare un tratto di lunghezza stabilità di aste (segmento tra le due tacche).

La resistenza è una funzione inversa della penetrazione per ciascun colpo e, diretta, del numero di colpi (NDP) per una data penetrazione.
Questo tipo di prova è molto utilizzata nella progettazione di fondazioni su pali, in quanto il metodo di infissione è analogo.

Il maggiore ostacolo per avere precisione in questo tipo di prova è la difficoltà di isolare la componente della resistenza dovuta all’attrito laterale del terreno lungo la batteria delle aste.

Le prove penetrometriche dinamiche DP sono normate dalla procedura di riferimento delle norme ISSMFE (1988), che distingue vari tipi di penetrometro in funzione del peso del maglio.
Si possono distinguere:

  • Penetrometro leggero: maglio <10 Kg
  • Penetrometro medio: maglio tra 10 e 40 Kg
  • Penetrometro pesante: maglio tra 40 e 60 Kg
  • Penetrometro superpesante: maglio >60 Kg

Le aste che trasmettono l’energia cinetica alla punta sono di acciaio speciale, indeformabile e hanno delle graduazioni ogni 10 cm. Solo nel penetrometro pesante la graduazione è di 30 cm.

Preparazione ed esecuzione della prova

Si posiziona verticalmente l’attrezzatura con una variazione massima del 2%.
Le aste e la punta devono essere guidate all’inizio della prova per mantenere la verticalità.
La battitura deve avere una frequenza di 15-30 colpi/min.
Le aste vanno ruotate 1-2 giri ogni metro. Oltre i 10 m la rotazione deve essere più frequente.

Vantaggi

La prova è continua e quindi permette di indagare il terreno senza interruzione in tutto lo spessore.
Il metodo prevede l’utilizzo di attrezzature semplici e facilmente trasportabili.
La prova è piuttosto rapida da eseguire.

Svantaggi

Con il penetrometro leggero non va mai superata la profondità di indagine di 8-10 m, in quanto risulta assai difficile mantenere la verticalità. Se la batteria è curva lo sforzo per la penetrazione si incrementa notevolmente oltre alla resistenza del terreno.
Solo il penetrometro super pesante può essere utilizzato per profondità di 20-30 m.

Il penetrometro dinamico va utilizzato soprattutto in terreno granulare. Le prove risultano poco significative in terreni argillosi.

Definizioni

Dalle prove DP il parametro fondamentale che si ottiene è la resistenza alla penetrazione dinamica, così valutata:

Rd = MxgxH/Axe

Dove
M = massa del maglio
e = penetrazione media per colpo
A = area della sezione trasversale della base della punta conica G = accelerazione di gravità
H = altezza di caduta del maglio

Valutazioni dei parametri del terreno

Non essendo la prova DP una pratica codificata è necessario rapportarla in genere a quelle più frequentemente usate: SPT e CPT (statica).
In genere si correla il n° di colpi a quelli dell’SPT per poi ricavare i parametri geotecnica con le formulazioni valide per gli SPT.

Con una sufficiente approssimazione è possibile affermare che per rapportare i colpi di un penetrometro leggero a un SPT basta sommare i colpi per 30 cm di penetrazione.

N’10/NSPT = ~0,8÷1

Solo con il penetrometro super pesante i valori dei colpi possono essere direttamente correlati con gli SPT in quanto utilizza un maglio dello stesso peso e con la stessa altezza di caduta.

N’30/NSPT = 0,5÷1

PROVA PENETROMETRICA STATICA CPT E CPTU

La prova penetrometrica statica CPT (Cone Penetration Test) consiste nell’infiggere nel terreno una punta a velocità costante (2 cm/s), misurando con continuità la pressione necessaria per mantenere la velocità costante.
Nei penetrometri elettrici, sopra la punta è posto un manicotto in grado di misurare in modo continuo la resistenza all’attrito laterale terreno-acciaio.

Il penetrometro CPTU è dotato di un setto poroso che permette di misurare la pressione dell’acqua.

Il penetrometro statico è una strumentazione facilmente utilizzabile in quanto non molto ingombrante, ed è applicabile ai terreni fini dalle argille fino alle sabbie.
La prova CPT è molto utilizzata ed è regolamentata dalle norme ISSMFE, inclusa negli Standard ASTM (D3441-86).

Nelle aree di pianura il metodo è assai efficace in quanto, tramite appositi abachi, è possibile ricostruire una stratigrafia del terreno in funzione della resistenza riscontrata. In ogni caso è sempre meglio avere uno o due sondaggi geognostici a carotaggio continuo che possano dare una stratigrafia di riferimento.

Valutazioni dei parametri

con la prova penetrometrica statica si misura la resistenza di punta: qc = Qc:Ac (KPa)
e la resistenza di attrito laterale: fs = Qs:As (KPa)

In funzione delle resistenze ottenute, attraverso appositi abachi è possibile ricostruire la stratigrafia orientativa ed ottenere valori resistenza al taglio.

La prova è particolarmente utile in terreni coesivi per la progettazione di pali, in quanto simula la loro posa in opera.

Vantaggi

  • Rapidità di esecuzione.
  • Buona attendibilità dei risultati
  • Abbondante bibliografia al riguardo
  • Possibilità di misurare direttamente la pressione idrostatica.

Svantaggi

  • Applicabile solo ai terreni fini da argillosi a sabbiosi, omogenei. La presenza di elementi lapidei grossolani come trovanti, anche se di piccole dimensioni, possono falsare la prova.
  • Nessuna possibilità di vedere il terreno attraversato
  • Delicatezza della strumentazione che va revisionata di frequente.

RISULTATI DELLE INDAGINI GEOTECNICHE IN SITO

Le prove geotecniche in sito, essendo piuttosto economiche e rapide (non prevedono il prelievo di campioni e quindi i conseguenti tempi delle analisi di laboratorio) vanno effettuate con la maggiore frequenza possibile.
Infatti, giacchè i risultati ottenuti sono riferibili alla verticale in cui è stata eseguita la prova ed i parametri geotecnici ricavabili derivano da formule semiempiriche, è necessario avere più dati possibili per poter effettuare le corrette valutazioni.

In questa prospettiva, si evidenzia quanto segue:

Prove SPT: vanno eseguite frequentemente lungo la verticale del sondaggio ed il loro numero dipenderà dal grado di approssimazione richiesto dei dati, ma possibilmente sono da eseguire ogni 1,5 m e comunque ad una distanza tale da garantire che il terreno in cui si esegue la non sia influenzato da quella precedente. In questa prospettiva il n° di SPT è comunque condizionato dal n° di sondaggi geognostici eseguiti.

Prove DP e CPT: essendo prove rapide e continue, devono essere eseguite in un numero adeguato in rapporto alle dimensioni dell’opera in previsione e disposte in modo da tale da poter essere correlate tra loro.
Pertanto per opere di piccole dimensioni (entro i 20 m) dovranno essere eseguite almeno ai vertici dell’opera in previsione e al centro. Per edifici con struttura a plinti dovranno essere eseguite in corrispondenza di ogni plinto.

Per opere dimensioni maggiori (oltre i 20 m) come strade o grandi piazzali e/o capannoni, dovranno essere eseguite ad una distanza non superiore ai 20 m tra loro.

Con i dati geotecnici ricavati dalle prove in sito è possibile ricostruire delle sezioni “geotecniche”.
Infatti, attribuendo un indice di qualità in funzione della resistenza alla penetrazione del terreno (terreno “scadente”, “discreto”, “buono”) è possibile schematizzare le sue qualità geotecniche prima verticalmente lungo la singola prova e successivamente anche lateralmente tramite una correlazione tra le prove.

La modellazione così effettuata altro non è che la traduzione delle caratteristiche geologiche in parametri geotecnici (numeri), necessari per avere un efficace strumento di progettazione.

Si sottolinea che le stime vanno eseguite possibilmente tramite le formulazioni di più autori ed i risultati vanno confrontati tra loro. La scelta dei parametri geotecnici da attribuire ai terreni indagati va effettuata secondo le seguenti modalità.

  • Il valore derivante dalla media
  • Il valore derivante dalla mediana (eliminando quello più alto e quello più basso)
  • Il valore comune ad almeno 2 valutazioni
  • Il valore minore

Il valore scelto sarà quello ritenuto più corretto in funzione dell’esperienza personale, eventualmente confrontato con dati bibliografici, o anche con eventuali prove di laboratorio a disposizione.

STABILITÀ DEI VERSANTI IN TERRA

Quando il piano campagna non è orizzontale, come nel caso di pendii naturali e delle scarpate artificiali, le tensioni di taglio indotte dalle forze gravitazionali tendono a smuovere il terreno lungo potenziali superfici di scorrimento.
In linea di principio è possibile affermare che se sussiste l’equilibrio la resistenza al taglio mobilitabile lungo ogni possibile superficie supera le tensioni tangenziali indotte dalla gravità.

Ovviamente la gravità non è l’unica causa dell’instabilità di un versante, ma ve ne sono anche altre quali: acqua, sisma, movimenti stagionali, rigonfiamenti ed essicamenti ecc…

Per le analisi di stabilità dei pendii le informazioni da raccogliere sono molteplici, ma quelle fondamentali sono geologiche e geotecniche.

Informazioni geologiche: stratigrafia per conoscere la tipologia dei terreni interessati dal dissesto, geomorfologia per individuazione di paleofrane e/o assestamenti tettonici. Analisi mineralogica e petrografica per individuazione dei minerali e/o rocce che caratterizzano il dissesto e il grado di alterazione.

Informazioni geotecniche: caratterizzazione stratigrafica di dettaglio del materiale soggetto a dissesto, individuazione di falda, determinazione delle caratteristiche meccaniche e proprietà fisiche dei materiali nei vari strati.

Le informazioni stratigrafiche per l’analisi della stabilità dei versanti possono essere acquisite tramite rilievo superficiale di campagna ed integrate da indagini profonde tramite sondaggi geognostici a carotaggio continuo.
Ciò permette di definire quali sono i materiali coinvolti nel dissesto.

Nota la geologia dei terreni è di fondamentale importanza acquisire le informazioni relative ai parametri geotecnici.
Ciò è necessario in quanto la traduzione in numeri è di grande importanza per il dimensionamento degli interventi di consolidamento.

I parametri geotecnici per le verifiche di stabilità possono essere ricavati da prove geotecniche in sito e da analisi di laboratorio in seguito al prelievo di campioni indisturbati.

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Parametri geotecnici

I parametri geotecnici da definire sono quelli che condizionano la resistenza al taglio del terreno, in funzione anche del tipo di intervento previsto.
Per materiale grossolano, ghiaioso e sabbioso, di tipo attritivo, il parametro che condiziona la resistenza al taglio è l’angolo d’attrito.

Ciò significa che tutta la resistenza allo scivolamento dipende essenzialmente dall’angolo d’attrito interno del terreno.
L’angolo d’attrito nei terreni incoerenti, grossolani, può essere definito tramite prove SPT, dall’osservazione di eventuali scarpate preesistenti o per esperienza personale. Si sottolinea, che una scarpata inclinata come l’angolo di resistenza al taglio del terreno, avrà un fattore di sicurezza pari a 1 e quindi è sufficiente una modesta perturbazione alle condizioni di equilibrio per comportare l’instabilizzazione.

Si evidenzia, quindi, che l’inclinazione della scarpata da realizzare sia di scavo che di riporto, dovrà essere sempre inferiore a quella dell’angolo d’attrito. La differenza di angolo dovrà essere tanto maggiore quanto maggiore è il valore di fattore di sicurezza che si vuole ottenere (il D.M. 11/03/1988 indica come valore minimo 1,3).

Infatti si ricorda che il Fs = forze stabilizzanti / forze destabilizzanti

Dove:
Forze stabilizzanti = angolo d’attrito, coesione, interventi di consolidamento, componente normale della forza peso
Forze destabilizzanti = componente tangenziale della forza peso, acqua, sisma ecc.

In terreni coesivi, quali le argille o comunque terreni argillosi misti, la resistenza al taglio dipende sia dall’angolo d’attrito, sia dalla coesione, oppure solo dalla coesione non drenata.
Noto che in terreni coesivi i parametri possono essere di tipo drenato o non drenato, è necessario sapere se la stabilità da verificare sarà a breve termine o a lungo termine. Per scarpate di scavo temporanee la stabilità è certamente quella a breve termine e quindi la resistenza al taglio sarà prevalentemente o essenzialmente connessa alla coesione non drenata.

Per scarpate di scavo o riporto la cui morfologia sia definitiva, le condizioni sono a lungo termine e quindi la resistenza al taglio dipende sia dall’angolo d’attrito sia dalla coesione drenata.
È possibile osservare come nelle verifiche di stabilità la sola coesione non drenata permetta di ottenere scarpate stabili anche con inclinazioni molto elevate o subverticali. Ciò giustifica anche ciò che si può osservare in cantiere.

Infatti, le forze della coesione nel breve periodo, permettono di ottenere condizioni di stabilità.
Nel lungo periodo, le forze della coesione si riducono e quindi qualsiasi terreno tende a disporsi secondo l’angolo d’attrito.

Caso particolare sono i limi, in quanto sono dotati di una coesione non drenata, apparente e quindi in corrispondenza delle scarpate di neoformazione sembrano stabili, ma solo per brevissimo tempo (alcuni minuti) e successivamente franano lungo superfici di taglio ben precise.

Va ricordato che uno stesso terreno può presentare angoli d’attrito diversi in funzione del grado di addensamento oltre che della composizione granulometrica.
Infatti, una scarpata di scavo in ghiaia sabbiosa può essere considerata stabile anche fino a 45° di inclinazione.

Lo stesso materiale, riportato a semplice gravità, è stabile su scarpate con inclinazione non superiore a 30-35°.

Nelle modellazioni delle verifiche di stabilità è possibile osservare che anche le superfici di rottura dei versanti o delle scarpate hanno sviluppo diverso in funzione del parametro geotecnico a cui sono maggiormente vincolate.
Infatti, per terreni granulari, la superficie di taglio è pressoché lineare, piana.

In terreni coesivi, la superficie è curva, cicloide, la cui concavità è direttamente legata all’influenza della coesione.
Nei materiali prettamente coesivi, inoltre, si evidenzia spesso anche una frattura di tensione al coronamento, con sviluppo subverticale.

Tale condizione è di fondamentale importanza nella previsione di interventi di consolidamento, soprattutto riguardo alla loro profondità.
In terreni grossolani, possono essere sufficienti interventi superficiali, mentre in terreni coesivi sono necessari interventi profondi, comunque spinti sempre oltre la superficie di rottura più probabile.

Nelle verifiche di stabilità è sempre di fondamentale importanza conoscere la presenza e l’andamento dell’acqua.
Infatti questo elemento agisce sull’instabilizzazione di un versante o scarpata, sia per l’instaurarsi di sovrapressioni idrostatiche, sia perché può indurre una riduzione dei parametri geotecnici come la coesione.

Tale considerazione prescinde dalle problematiche di erosione superficiale.

Back Analysis

La back analysis consiste nel ricostruire le condizioni di equilibrio prima che il dissesto avvenisse (Fs = 1 = equilibrio limite) e definire così i parametri geotecnici prima della rottura.
Per applicare questa metodologia è necessario innanzitutto ricostruire lungo la sezione indagata, la topografia originaria, prima dell’evento franoso.

Successivamente è necessario definire la superficie di taglio lungo cui si è sviluppato il dissesto.
Note queste grandezze, si ricavano le coppie dei parametri geotecnici  e c, posto che il Fs sia pari a 1 (equilibrio limite).

Risulta evidente che le coppie di valori sono numerose.
Pertanto, l’attribuzione dei valori di angolo d’attrito e di coesione sarà in funzione del tipo di terreno.
In questo senso risulta di fondamentale importanza l’esperienza e le conoscenze tecnico-scientifiche di chi esegue l’analisi.
Prima di tutto è importante definire se il terreno ha un comportamento prevalentemente attritivo o coesivo.
Così si potrà variare nel modo opportuno il valore di all’angolo d’attrito o alla coesione.

I parametri così definiti sono quelli di “picco” lungo una superficie definita, cioè quelli prima della rottura del terreno.
In seguito alla rottura del terreno i parametri lungo la superficie e spesso anche del materiale movimentato, si riducono diventando “residui”.

Non è possibile prevedere l’entità di riduzione dei parametri da “picco” a “residui”.
Il valore dei parametri residui può essere definito solo tramite prove geotecniche in sito sul corpo di frana o in seguito al prelievo di campioni indisturbati e delle relative analisi di laboratorio.
Anche nel caso di applicazione della back analysis è sempre meglio avere uno o più sondaggi di riferimento con prove geotecniche in sito. In questo modo è possibile confrontare i risultati e meglio definire i parametri più corretti.

STABILITÀ IN ROCCIA

Quando il materiale interessato dallo scavo o dal dissesto è la roccia, gli approcci all’analisi sono di due tipi:

  • Ammasso roccioso “discontinuo”
  • Ammasso roccioso “continuo”

Ammasso roccioso “continuo”

L’ammasso roccioso viene definito “continuo” quando il suo comportamento tende ad essere omogeneo, subendo delle deformazioni, in assenza di superfici preferenziali di rottura.
Questa condizione negli ammassi rocciosi è molto particolare. Infatti, un ammasso roccioso ha un comportamento “continuo”, plastico, nei seguenti casi:

  • Roccia molto resistente interessata da numerosi sistemi di fratturazione con spaziature molto piccole rispetto alle dimensioni dell’intervento (galleria o versante).
  • Le caratteristiche di resistenza della roccia sono molto scadenti (es. marne, argilliti, filladi…), a comportamento plastico.
  • Ammassi rocciosi con grandi coperture o soggetti a forti tensioni tettoniche anche residue.

Con questo tipo di ammasso roccioso non ci sono pratiche di cantiere comunemente usate. È importante una attenta progettazione, fondata su un’adeguata campagna di indagini geognostiche, corredate da una corretta interpretazione.
Per le problematiche di cantiere, in questi casi, ad aiutare c’è solo l’esperienza personale.

Ammasso roccioso “discontinuo”

L’ammasso roccioso viene definito “discontinuo” quando il suo comportamento è condizionato da superfici di discontinuità come strati, scistosità, fratture, faglie.
In questo caso le condizioni di stabilità non dipendono dal comportamento globale dell’ammasso roccioso, ma dalle caratteristiche geometriche e geotecniche delle discontinuità stesse.

Gli ammassi rocciosi discontinui sono quelli più comuni nei cantieri di scavo.

Approccio alle condizioni di stabilità

In questo corso sarà effettuato un approccio alle verifiche di stabilità grafica di ammassi rocciosi a comportamento discontinuo, in cui le condizioni di stabilità sono dipendono dalle superfici di discontinuità.
In questo caso è di fondamentale importanza riuscire ad individuare le superfici di scivolamento potenziale.

Tali superfici dovranno essere rilevate tramite bussola per poterne conoscere l’orientamento nello spazio.
Inoltre è necessario riconoscere alcune caratteristiche fondamentali quali la rugosità, il riempimento, la resistenza a compressione, la presenza d’acqua.

Si sottolinea che se il riempimento ha uno spessore superiore a quello della rugosità, la resistenza al taglio sviluppata lungo la superficie dipende dalle caratteristiche geotecniche del riempimento stesso e non dalla roccia.
È necessario poi osservare la spaziatura e la persistenza (allo scopo di poter delimitare dei volumi potenzialmente instabili).

Tutte questi dati sono fondamentali per effettuare una classificazione dell’ammasso roccioso, condizione necessaria per poter attribuire delle caratteristiche orientative. Infatti dalle classificazioni dell’ammasso roccioso secondo i metodi più noti come Bieniawski e Romana, è possibile ricavare in modo empirico dei parametri utili per le verifiche di stabilità.

Test di markland

Un metodo rapido e pratico per definire sommariamente le condizioni di stabilità di un versante in roccia è quello grafico, con il Test di Markland.
Il metodo si applica utilizzando lo stereodiagramma.
Il metodo consiste nel tracciare i grandi cerchi che individuano le discontinuità interessate sullo stereodiagramma, osservando la loro disposizione spaziale rispetto il versante o scarpata.

In generale le condizioni per cui un piano o un cuneo sono in grado di dare origine a scivolamenti sono le seguenti:

  1. la loro retta d’immersione deve presentare un’inclinazione inferiore a quella del fronte (giacitura a franappoggio con inclinazione minore del versante);
  2. la loro retta d’immersione deve presentare un’inclinazione superiore a quella dell’angolo d’attrito.
  3. la loro retta d’immersione non deve discostarsi eccessivamente dalla retta d’immersione del pendio (+/- 20°).

L’angolo d’attrito nel grafico è rappresentato come la traccia circolare di un cono, coassiale allo steriodiagramma.
Se una discontinuità, o un cuneo delimitato da due discontinuità, rientra nelle condizioni sopra esposte, esiste la condizione predisponente l’instabilità. Il fattore di sicurezza potrà essere valutato solo tramite calcoli con modelli matematici specifici.

Corso di geotecnica pratica_6

Classificazione dell’ammasso roccioso

Per poter ricostruire un modello dell’ammasso roccioso è necessario innanzitutto procedere ad una sua classificazione secondo i metodi in uso:

  • Bieniawski (RMR)
  • Barton (indice Q)
  • Hoek (GSI)
  • Palmstrom (Rmi)
  • Romana (SMR)

Classificazione di Bieniawski (1989)

La classificazione di Bieniawski si basa sulla valutazione di RMR tramite il rilievo dei seguenti parametri, a quali viene assegnato un indice:

RMR = R1+R2+R3+R4+R5-R6

R1: compressione monoassiale

R2: R.Q.D.
R3: spaziatura delle discontinuità
R4: condizioni delle discontinuità (persistenza, rugosità, apertura, riempimento ed alterazione).
R5: condizioni idrauliche
R6: correzione per l’orientamento delle discontinuità.
Si sottolinea che per la valutazione dei rapporti di giacitura tra le discontinuità e la galleria è stato preso in considerazione il rif. F della tabella della classificazione RMR: “Effetto della direzione delle discontinuità e orientazione del tunnel”. Si sottolinea che la discontinuità utilizzata per la correzione R6 è quella con le caratteristiche più sfavorevoli.
Il metodo di Bieniawski permette di classificare l’ammasso roccioso in 5 classi di riferimento (I,II,III,IV e V).
Questa classificazione è tra le più comunemente usate nell’ingegneria civile in quanto i metodi di sostegni di prima fase consigliati sono stati recepiti dai capitolati d’appalto ANAS.

Q – System (Barton et alii, 1974)

Il metodo si basa sul calcolo dell’indice di qualità “Q”, in funzione di 6 parametri:

Q = RQD/Jn x Jr/Ja x Jw/SRF

a)  RQD

b)  Jn = indice del numero dei sistemi di discontinuità

c)  Jr = indice di rugosità del più sfavorevole sistema di discontinuità

d)  Ja = indice del grado di alterazione o riempimento lungo il sistema di discontinuità più sfavorevole.

e)  Jw = indice del flusso idrico nei giunti

f)  SRF = fattore di correzione collegato allo stato tensionale.

Il metodo permette di ottenere un indice compreso tra 10-3 e 103 che, sulla base di diagrammi specifici, consente di effettuare un primo dimensionamento delle opere di sostegno del cavo.

RMi di Palmstrom (1996)

Il Rock Mass index (RMi) è un metodo sviluppato per caratterizzare l’ammasso roccioso in funzione dei suoi parametri intrinseci. In sintesi, esso è basato sulla valutazione della riduzione di resistenza della roccia intatta per la presenza di giunti.

RMi = σc x Jp

Dove:
σc = resistenza compressione uniassiale del campione di roccia intatta Jp = parametri dei sistemi di giunti quali:

  • Numero e spaziatura (definizione del VRU)
  • Forma dei blocchi
  • Rugosità e alterazione
  • Dimensioni (persistenza) e tipo di terminazione

Il valore di RMi permette di definire il comportamento dell’ammasso roccioso (continuo o discontinuo), il tipo di instabilità possibile per blocchi (distacchi di porzioni lapidee ben definite) o continua (deformazione del cavo per rigonfiamento o squeezing).
Il metodo, consente, inoltre di effettuare un dimensionamento di massima degli interventi di consolidamento.

GSI (HOEK et Alii, 2000)

Il metodo consente una classificazione dell’ammasso roccioso in funzione delle sue caratteristiche intrinseche, senza tener conto di alcuni parametri considerati nelle altre classificazioni, come la presenza d’acqua e l’orientamento delle discontinuità.
Il valore di GSI dipende essenzialmente dal grado di fratturazione dell’ammasso roccioso e dalle caratteristiche dei giunti di discontinuità.

SMR Romana (1991)

La classificazione dell’ammasso roccioso, secondo il metodo di ROMANA (1991) è una modificazione della classificazione di Bieniawski, adattata e migliorata per versanti e scarpate rocciose.
In particolare consiste nella valutazione dell’indice correttivo per le orientazioni delle discontinuità (parametro “B” di Bieniawski) allo scopo di ottenere una più corretta stima della stabilità dei pendii in roccia.

Pertanto l’indice S.M.R. (Slope Mass Rating) di Romana si ottiene per correzione dell’indice B.R.M.R. (Basic Rock Mass Rating) di Bieniawski, tramite la seguente relazione:

S.M.R. = B.R.M.R. + (F1 x F2 x F3) + F4

Dove:
B.R.M.R. = somma dei parametri R1-R2-R3-R4-R5 della classificazione di Bieniawski. F1-F2-F3= parametri basati su alcune relazioni tra direzione e inclinazione dei giunti e del pendio (Romana, 1991).
F4 = parametro che dipende dal tipo di pendio (pendio naturale, pendio modellato con scavo meccanico ed esplosivo, ecc. – Romana, 1991).

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L’articolo è stato tratto dal corso di Geotecnica Pratica tenuta dal Docente Geol. Ennio Chiesurin presso l’ITIM U. FOLLADOR, AGORDO (BL), febbraio-maggio 2009