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POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale e Geotecnica
Sebastiano Foti
Caratterizzazione Geotecnica
modello geotecnico del sito
Corso di aggiornamento professionale avanzato
Ingegneria Geotecnica
La Spezia, 14 ottobre 2011
POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti
Prove in sito
Sommario
• Caratterizzazione geotecnica dei siti
• Programmazione delle indagini
• Sondaggi
• Richiami sul comportamento meccanico dei terreni
• Prove in laboratorio
– sabbie
– argille
• Prove penetrometriche (SPT, CPT)
– Correlazioni con parametri geotecnici
– Accertamenti stratigrafici
• Altre prove in sito
– Scissometrica
– Pressiometrica
– Dilatometrica
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POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti
Prove in sito
NTC 08
POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti
Prove in sito
� Stratigrafia (anche di dettaglio)
� Caratteristiche macro e mega-strutturali
� Condizioni di falda
� Storia tensionale (OCR )
� Stato tensionale geostatico ( k0 )
� Caratteristiche meccaniche (resistenza, deformabilità)
� Caratteristiche idrauliche (permeabilità)
Modello geotecnico
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Prove in sito
� Indagini e prove in sito
� Prove di laboratorio
� Modelli in scala
� Analisi delle opere in vera grandezza
Indagini
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Prove in sito
Programmazione delle indagini
• Raccolta informazioni sufficienti alla scelta della soluzione
• Evidenziare eventuali problemi in fase esecutiva
• Evidenziare potenziali rischi di natura geotecnica/geologica
• Fornire i valori (campo di variazione) dei parametri significativi
Scopo :
Occorre decidere :
• Numero e tipo di prove
• Ubicazione
• Profondità
Necessita di un adeguato modello geologico dell’area (NTC08: 6.2.1.)
Possibilità di variare il Programma di Indagini in corso d’opera
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Prove in sito
Programmazione delle indagini
• lmportanza del progetto
• Fase di sviluppo del progetto
• Complessità geologica del sito
Dipende da :
LIMITE ECONOMICO !
Attenta analisi dei risultati (in corso d’opera)
EsperienzaGrandi economie
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Prove in sito
Caratterizzazione Geotecnica
Strutture ordinarie: almeno 3 ÷ 4 sondaggi agli spigoli dell’area
Numero delle verticali
Aree estese: almeno 1 verticale ogni 500÷600 m2
Aree nastriformi: 1 verticale ogni 50÷300 m lungo l’asse, con allineamenti trasversali
(eventuale infittimento delle verticali con prove CPT)
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Prove in sito
Scelta del tipo di opera o d’intervento
e programmazione delle indagini geotecniche
(Lancellotta, 2004)
Studio della
risposta
sismica locale
e analisi
dinamiche
1D o 2D
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Prove in sito
Prove in sito
• Accertamenti stratigraficiDiretti (visione del materiale)
Indiretti (misura di proprietà indice)
• Piezometri
• Prove penetrometriche
•(SPT e CPT / CPTU)
• Prova scissometrica
• Prove pressiometriche
• Prove dilatometriche
• Prove sismiche (geofisiche) : Down- Cross-Hole
(Mayneetal., 2002)
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Prove in sito
Vantaggi:
� Rapide ed economiche
� Descrizione continua (o quasi)
� Volume di terreno maggiore
� Terreno “indisturbato”
� Terreni a grana grossa
(uniche possibili)
Svantaggi:
� Incertezze sulle condizioni al contorno
� Incertezze sulle condizioni di drenaggio
� Stato tensionale e deformativo con forti gradienti
Indagini in sito
Correlazioni empiriche con:
� Prove di Laboratorio
� Back Analysis
� Camera di Calibrazione.
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Prove in sito
Accertamenti stratigrafici
DirettiDirettiIndirettiIndiretti
• Scavi ispezionabili ( Pozzetti )
• Cunicoli e trincee
• Perforazioni di sondaggio
• Campionamento
• Prove Geofisiche
• Prove penetrometriche
• Prove dilatometriche
Eseguire SEMPRE un accertamento stratigrafico diretto !
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Prove in sito
Perforazioni di sondaggio
Trivellazione
Percussione
Rotazione
non consentono una ricostruzione dettagliata della stratigrafia
Carotiere semplice
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Prove in sito
Perforazioni di sondaggio
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Punta meccanica
(Begemann)
Punta elettrica
2 aste coassiali
prova discontinua
misura forze in testa
infissione continua
misura forze locale
possibilità di aggiungere altri
sensori
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Cone Penetration Test (CPT)
Infissione per spinta di una punta conica con velocità v = 20 mm/s
Non occorre la perforazione di sondaggio
Si misura: CQC
CC
A
Qq = Resistenza alla punta
SQS
SS
A
Qf = Resistenza sul manicotto
laterale
c
S
q
fFR = Friction Ratio
Cq è molto più affidabile e ripetibile della Sf
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Prove in sito
Ripetibilità di SPT e CPT
(Jefferies and Been, 2006)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Profilo stratigrafico
Argille: MPa 30÷≈Cq
Sabbie: MPa 302÷≈Cq
Nei terreni a grana fine:
rottura non drenata 0>∆u
dipende da φ′Cq
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Soil Behavior Type (Robertson et al., 1986; Robertson & Campanella, 1988)
1 – Sensitive fine grained 5 – Clayey silt to silty clay 9 – sand
2 – Organic material 6 – Sandy silt to silty sand 10 – Gravelly sand to sand
3 – Clay 7 – Silty sand to sandy silt 11 – Very stiff fine grained*
4 – Silty clay to clay 8 – Sand to silty sand 12 – Sand to clayey sand*
*Note: Overconsolidated or cemented
Profilo stratigrafico
Robertson e Campanella (1988)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Taratura del profilo di qc con dei sondaggi a carotaggio continuo !!!
Vantaggioso per infittire le colonne stratigrafiche in terreni con grande variabilità
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
• Per caratterizzare correttamente i depositi teneri richiedere una punta con
doppia cella di carico con fondo scala 0,5 MPa e 50 MPa
Cq dipende da fenomeni di scala per individuare:
cm 2520 86min ÷≈÷≈ puntaDh
• strato sabbia densa in argilla tenera
• strato argilla in sabbia densa
cm 40 1510min ≈÷≈ puntaDh
• Sensibilità nel rilievo “stratigrafico”:
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Prove in sito
Piezocono (CPTU)
Aggiunta di un sensore per la misura della pressione dell’acqua nei pori (U)
Incremento delle potenzialità dello strumento
Maggiori difficoltà esecutive
(saturazione dei circuiti)
(Lancellotta)
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Prove in sito
Piezocono (CPTU)
Profilo stratigrafico di grande dettaglio !
La U non risente dei
fenomeni di scala !
“misura” del livello
piezometrico
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova penetrometrica statica (CPT)
Per indagini profonde richiedere
una punta con inclinometro
(Lancellotta)
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Prove in sito
σσσσI, σσσσII, σσσσIIIσσσσI, σσσσII, σσσσIII
Principio delle tensioni efficaci Terzaghi (1936)
Lo stato di tensione in un punto può essere definito tramite la conoscenza delle
tre tensioni principali totali:
Se lo spazio intergranulare è riempito con acqua avente pressione u,
le tensioni totali possono scomporsi in due parti: una di esse, chiamata “pressione
neutra” u, agisce sull'acqua e sui grani in ogni direzione con uguale intensità
Le differenze: u1I −−−−σσσσ====σσσσ u1I −−−−σσσσ====σσσσ ’’ uIIII −−−−σσσσ====σσσσ uIIII −−−−σσσσ====σσσσ ’’ uIIIIII −−−−σσσσ====σσσσ uIIIIII −−−−σσσσ====σσσσ ’’
rappresentano le tensioni, in eccesso rispetto alla pressione neutra, che hanno
sede nella fase solida. Queste frazioni delle tensioni totali sono definite
“tensioni efficaci”
Tutti gli effetti misurabili prodotti da un cambio dello stato di sforzo, quali
compressione, distorsione e variazione della resistenza al taglio,
sono dovuti esclusivamente ad un cambio delle tensioni efficaci
Di conseguenza ogni indagine di stabilità di un mezzo saturo richiede la
conoscenza sia delle tensioni totali sia delle pressioni neutre
Problema fondamentale della meccanica delle terre:
ripartizione dello stato di sforzo tra la fase solida e la fase liquida
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Prove in sito
Piezometri
La conoscenza dei livelli di falda è uno degli aspetti più importanti della
caratterizzazione geotecnica
Non è una operazione di routine e richiede :
Troppo spesso ne viene sottovalutata l’importanza !
esperienza e scrupolosa cura dei dettagli
Il comportamento dei terreni dipende dalle
tensioni efficaci
(Lambe, 1997)
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Prove in sito
Campionamento
Campionatore Osterberg
(Lancellotta)
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Prove in sito
Vantaggi:
� Condizioni al contorno ben definite
� Controllo delle condizioni di drenaggio
� Percorsi tensionali noti e/o controllabili
� Stato tensionale e deformativo uniformi
� Caratterizzazione del materiale
Svantaggi:
� Campioni indisturbati
� Terreni incoerenti
� Disturbo
� Volume ridotto dei campioni
� Valori puntuali
� Costi e tempi
Prove di laboratorio
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Prove in sito
Determinazione sperimentale
dei parametri di resistenza al taglio
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Prove in sito
σσσσ’σσσσ’
ττττττττtan ϕϕϕϕ’tan ϕϕϕϕ’
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σσσσ1σσσσ1’’σσσσ3σσσσ3’’
Criterio di rottura di Mohr-Coulomb 'tan' ϕϕϕϕσσσσ====ττττ 'tan' ϕϕϕϕσσσσ====ττττ
'sin1
'sin1'3
'
1 ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ++++
σσσσ====σσσσ'sin1
'sin1'3
'
1 ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ++++
σσσσ====σσσσCriterio espresso in termini
di tensioni principali
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Prove in sito
Prove TXC (sabbie)
(Lancellotta, 2004)
3
1
'
'
σσ
( ) [ ]%2 rzv εεε +−=−
[ ]%zε
Influenza dell’indice
dei vuoti sul
comportamento
meccanico di una sabbia
N.B. Nella figura la
tensione di confinamento
è costanteCC
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Prove in sito
Prove TXC (sabbie)
(Lancellotta, 2004)
3
1
'
'
σσ
( ) [ ]%2 rzv εεε +−=−
[ ]%zε
Influenza della tensione di
confinamento sul
comportamento meccanico
di una sabbia (a parità di
indice dei vuoti)
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Prove in sito
AA BB
ττττττττ
σσσσ’σσσσ’
Curvatura dell’inviluppodi rottura
Curvatura dell’inviluppodi rottura
CC
Inviluppo di rottura curvilineo
(Lancellotta, 2004)
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Prove in sito
sabbia di Hokksundsabbia di Hokksund
σσσσ’σσσσ’
ττττττττ
00 300300 600600 900900 12001200
300300
600600
900900
Inviluppo di rottura curvilineo
(Lancellotta, 2004)
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Prove in sito
o'
cv 12mDI' <<<<====ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ o'
cv 12mDI' <<<<====ϕϕϕϕ−−−−ϕϕϕϕ
(((( )))) 1pln10DDI '
fR −−−−−−−−==== (((( )))) 1pln10DDI '
fR −−−−−−−−====
(Bolton, 1986)
m=3 (assialsimmetria)
m=5 (condizioni di deformazione piana)
p’f espressa in kPa
Il valore di picco dell’angolo
di resistenza al taglio
non è una proprietà
del materiale ma un parametro
dipendente dalle condizioni di stato
Resistenza al taglio delle sabbie
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Prove in sito
Stima dell’angolo di resistenza al taglio
• Stima dello stato di addensamento in sito (Densità Relativa DR )
è un parametro del terreno (mineralogia, granulometria, forma grani)
può essere valutato da prove su materiale ricostituito
• Valutazione del livello tensionale medio a rottura fp '
• Stima dell’angolo di resistenza al taglio a volume costanteCV'φ
per terreni quarzosi °÷°≅ 3430'CVφ
′+′+′=
3' 321 σσσp
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Prove in sito
Stima dell’angolo di resistenza al taglio
LIMf qp10
1' ≅
0
3
2' Vfp σ ′≅
Bolton (1984) ( )[ ]1ln10 −′−⋅⋅+′=′ fRCV pDmφφ
[ ]kPap f'°≤′−′ 12CVφφ DR [decimali] m3 assialsimmetrico
5 deformazione piana
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova penetrometrica dinamica (SPT)
Prova penetrometrica dinamicaStandard Penetration Test (SPT)
Standard Cone Penetration Test (SCPT)
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Prove in sito
Prova penetrometrica dinamica (SPT)
(Mayne et al., 2002)
N1
N2
N3NSPT=N2+ N3
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Prove in sito
Prova penetrometrica dinamica (SPT)
Risultato della prova: NSPT = N2 + N3
Se N1 o N2 o N3 = 50 Rifiuto: R (avanzamento in cm per 50 colpi)
n° colpi / 30 cm, n° colpi / piede
Profondità
1 – 2 – 3
Profondità
1 – R (12 )
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Prove in sito
Prova penetrometrica dinamica (SPT)
Prova economica, molto diffusa
Prova standardizzata da molti decenni (grande mole di risultati per correlazioni)
Prelievo di un campione disturbato
Prova impulsiva (poco attendibile per terreni a grana fine)
Risultati discontinui con la profondità
Influenza di ∆u
Numerose correlazioni empiriche di progetto
Camera di calibrazione
Sabbie limose sotto falda: se NSPT > 15 Nc = 15 + 0,5 (NSPT – 15 )
Punta conica (depositi ghiaiosi): Nc = 1,25 NSPT
Correzioni:
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Prove in sito
Prova penetrometrica dinamica (SPT)
Stima della Densità Relativa
Terzaghi – Peck (1948)
0 - 4
4 - 10
10 - 30
30 - 50
> 50
molto sciolta
sciolta
media
densa
molto densa
NSPT DR
Gibbs - Holtz (1957)camera di calibrazione
Influenza della profondità
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Prove in sito
Stima dellaStima della DDRR dada qqcc
((LancellottaLancellotta, 1983), 1983)
Prove CPT
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Prove in sito
Istruzioni Norme Tecniche NTC 2008
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Prove in sito
Scelta dei valori caratteristici
Nei materiali con comportamento rammollente, la scelta dei parametri deve tener conto del fenomeno di
Rottura Progressiva
(Lancellotta)
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Prove in sito
Argille tenere
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Prove in sito
Criterio di rottura nel piano ( p’ , q )
3
2p rz σσσσ++++σσσσ====
3
2p rz σσσσ++++σσσσ====
rzq σσσσ−−−−σσσσ==== rzq σσσσ−−−−σσσσ====
Parametri tensionali Parametri tensionali
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Prove in sito
Esempio di prova drenata sull'argilla ricostituita di Pisa Esempio di prova drenata sull'argilla ricostituita di Pisa
(Lancellotta, 2004)
q
[ ]%vε
[ ]%sε
q
'p
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Prove in sito
Percorsi drenati e curva di Percorsi drenati e curva di
stato critico dell'argilla stato critico dell'argilla
ricostituita di Pisa ricostituita di Pisa
(Lancellotta, 2004)
q
'p
'p
ev +=1
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Prove in sito
Argille consistenti
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Prove in sito
Argilla di Todi: Prova Argilla di Todi: Prova
triassiale non consolidata triassiale non consolidata
non drenata con misura della non drenata con misura della
pressione interstiziale pressione interstiziale
((BurlandBurland, 1990) , 1990)
Argille consistenti
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Prove in sito
Argille consistenti
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Prove in sito
σσσσ’σσσσ’
ττττττττ
BB
AA
CCDD
Interpretazione convenzionale
''tan' c+= ϕστ
Argille consistenti
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Prove in sito
Resistenza residua
Argilla di Santa Barbara
(Calabresi e Manfredini, 1973)
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Prove in sito
Resistenza residua
Argilla di Santa Barbara
(Calabresi e Manfredini, 1973)
Valore caratteristico per riattivazione frane
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Prove in sito
ϕϕϕϕ = 0°ϕϕϕϕ = 0°
σσσσ3σσσσ3 σσσσ1σσσσ1 σσσσσσσσ
ττττττττ
susu
Prove UU
Inviluppo di rottura in
termini di tensioni totali
Analisi di stabilità in condizioni non drenate:
resistenza al taglio non drenata su
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Prove in sito
(Lancellotta, 2004)
'p
u∆
Sε
Esempio di prova
non drenata
(argilla di Pisa)
Prove CIU (consolidazione isotropa – rottura non drenata)
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Prove in sito
p,p’p,p’p1p1’’ p2p2’’ p3p3’’
qr====2Suqr====2Su
∆∆∆∆u∆∆∆∆u
1
MCSL
Prove CIU (consolidazione isotropa – rottura non drenata)
La resistenza al taglio non drenata
non è una proprietà
del materiale ma un parametro dipendente dalle
condizioni di stato
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Prove in sito
Prova Scissometrica (FV)
Field Vane Test ( FV )
Semplice, affidabile, ripetibile
Misura della resistenza al taglio iniziale sU nelle argille di bassa e media consistenza
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova Scissometrica (FV)
Si infigge lo strumento nel terreno a velocità costante (≤ 20 mm/s)
( )3
max
7
6
D
MFVsU π
=2=D
H
maxM
Tempo di attesa dopo l’infissione: 2÷5 min
si applica una coppia M torcente
velocità di rotazione costante: 6° ÷ 12° / min
Dopo la rottura si eseguono 10 rapide rotazioni dello strumento, dopodichè si ripete la prova e si misura la sU
del terreno rimaneggiato
Sensitività: ( )( )riman
max
U
Ut
s
sS =(Lancellotta)
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Prove in sito
Prova Scissometrica (FV)
Per effetto dell’anisotropia e della velocità di rottura, la resistenza media lungo una
potenziale superficie di rottura può essere diversa da quella misurata con lo
scissometro
Bjerrum (1972)
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prove Pressiometriche
Pressiometro Menard Pressiometro autoperforante
Diametro sonda: 44 / 58 mm (a) Pafsor (b) Camkometer (80 mm)(Lancellotta)
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Prove in sito
Prove Pressiometriche
Misura della resistenza al taglio non drenata sU nelle argille
V
Vsp ULar
δδσ ln⋅+==
Lp tensione limite
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prove Pressiometriche
La resistenza sU non è un parametro del terreno
dipende dallo stato iniziale e dal percorso tensionale
(Lancellotta)
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Prove in sito
Dipendenza della su dal percorso di carico
(Jamiolkowski et al., 1985)
Resistenza operativaResistenza operativa
((KoutsoftasKoutsoftas e e LaddLadd, 1985), 1985)
( ) 8.0
'03.022.0 OCR
s
vo
u ⋅±=σ
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Prove in sito
∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1
BB
∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1 CC
∆∆∆∆σσσσ1∆∆∆∆σσσσ1
AA
Percorsi di carico lungo una superficie di scivolamento
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Prove in sito
Prova Penetrometrica Statica (CPT)
Stima della resistenza al taglio non drenata sU nelle argille
la resistenza alla punta viene assimilata alla portata alla punta di un paloCq
0VCUC �sq σ+⋅=C
VCU
�
qs 0σ−
=
è la tensione verticale totale agente alla quota della punta0Vσ
C� da correlazioni empiriche con altre prove:
( )33% 14 ±=C�Argille bassa e media consistenza (Vane Test)
Argille OC non fessurate (TX-C) ( )5 17 ±=C�
Baligh (1980)
Kjekstad (1978)
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Prove in sito
Spinta a riposo
Misura della tensione orizzontale efficace 0hσ ′
0
00
v
hkσσ′′
=Coefficiente di spinta a riposo
(Lancellotta)
Prove Pressiometriche
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Prove in sito
Prove Pressiometriche
Rapporto tra la tensione radiale iniziale misurata con pressiometroautoperforante e la stima della tensione orizzontale
0rσ0hσ
(Lancellotta)
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Prove in sito
Prove Dilatometriche (DMT)
Dilatometro piatto di Marchetti (1975)
(Lancellotta)
POLITECNICO DI TORINOLA SPEZIA 14 Ottobre 2011 Sebastiano Foti
Prove in sito
Prove Dilatometriche (DMT)
Infissione a v=20 mm/s
Arresto ogni 200 mm
Prova dilatometrica: p0 , p1
p0 inizio deformazione
p1 spostamento s=1,1 mm
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Prove in sito
Prove Dilatometriche (DMT)
Indice
0
00
V
D
upK
σ ′−
=
Valutazione dello stato tensionale iniziale (k0)
6.0
46.0
0 −
=
K
DKKβ
Kβ dipende dal tipo di terreno
(Lancellotta)
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Prove in sito
Applicabilità delle prove in sito
(Mayne et al, 2002)
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Prove in sito
Per approfondimenti
• AGI (1977) – Raccomandazioni sulla programmazione ed esecuzione delle
indagini geotecniche
• Cestari F. (2005) – Prove Geotecniche in sito – Ediz. Geo-Graph, 3° ed.
• Jamiolkowski M., Ladd C.C., Germaine J.T., Lancellotta R. (1985) – New
developments in field and laboratory testing of soils – Theme Lecture, XI
ICSMFE, San Francisco
• Lancellotta R. (2004) – Geotecnica – Zanichelli (2° e 3° ediz)
• Marchetti S., Monaco P., Totani G., Calabrese M. (2001) – Il Dilatometro Piatto
(DMT) nelle indagini geotecniche. Rapporto del Comitato Tecnico TC16 della
ISSMGE – Atti delle Conferenze di Geotecnica di Torino, XVIII ciclo
• Mayne P.W., Christopher B.R., DeJong J. (2001) - Manual on Subsurface
Investigations - National Highway Institute, Publication No. FHWA NHI-01-031,
Federal Highway Administration, Washington, DC
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Prove in sito
Un ringraziamento particolare ai proff. Renato Lancellotta e Daniele
Costanzo, che hanno messo a disposizione parte del materiale didattico
Grazie per l’attenzione !
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